Termistorul este un tip special de element rezistiv variabil care își schimbă rezistența fizică atunci când este expus la schimbări de temperatură.

Termistorul este un dispozitiv solid-state de detectare a temperaturii, care acționează un pic ca un rezistor electric, dar este sensibil la temperatură. Termistoarele pot fi utilizate pentru a produce o tensiune de ieșire analogică cu variații ale temperaturii ambiante și ca atare pot fi raportate ca un traductor. Acest lucru se datorează faptului că creează o schimbare a proprietăților sale electrice datorită unei schimbări fizice a căldurii.

Un termistor este în principiu un traductor solid-state, sensibil termic, cu două terminale, realizat din oxizi metalici sensibili, pe bază de semiconductori, cu conductori de legătură metalizați sau sinterizați pe un disc ceramic sau bile. Acest lucru îi permite să-și schimbe valoarea rezistivă proporțional cu variațiile mici ale temperaturii. Cu alte cuvinte, pe măsură ce temperatura sa se schimbă, la fel face și rezistența sa și, ca atare, denumirea sa, "Thermistor" este o combinație a cuvintelor THERM-ally res-ISTOR.

În timp ce schimbarea rezistenței datorată căldurii este, în general, nedorită în rezistoarele standard, acest efect poate fi folosit în multe circuite de detecție a temperaturii. Deci, fiind dispozitive cu rezistență variabilă neliniară, termistoarele sunt frecvent utilizate ca senzori de temperatură care au multe aplicații pentru a măsura temperatura lichidelor și a aerului ambiant.

De asemenea, fiind un dispozitiv solid-state, făcut din oxizi metalici foarte sensibili, funcționează la nivel molecular, cu electronii de valență devenind mai activi și producând un coeficient de temperatură negativ sau mai puțin activ, producând un coeficient de temperatură pozitiv când temperatura termistorului este crescută. Acest lucru înseamnă că pot avea caracteristici de temperatură foarte bune pentru rezistență reproductibilă, permițându-le să funcționeze până la temperaturi de aproximativ 200°C.

Termistoarele sunt disponibile într-o gamă largă de tipuri, materiale și dimensiuni, în funcție de timpul de reacție și temperatura de funcționare. De asemenea, termistoarele etanșate ermetic elimină erorile din citirile de rezistență datorate penetrării umidității, oferind în același timp temperaturi ridicate de funcționare și o dimensiune compactă. Cele trei tipuri cele mai des întâlnite sunt: ​​termistoare cu bile, termistoare de disc și termistoare încapsulate în sticlă.

Aceste rezistoare dependente de căldură pot funcționa într-una din cele două moduri, fie crescând, fie scăzând valoarea lor rezistivă cu variația de temperatură. Astfel, sunt disponibile două tipuri de termistori: cu coeficient de temperatură negativ (NTC) al rezistenței și cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC).

Termistor cu coeficient de temperatură negativ

Termistorul cu coeficient de temperatură negativ al rezistenței sau termistor NTC pe scurt, își micșorează valoarea rezistivă, pe măsură ce temperatura ambiantă crește. În general, termistoarele NTC sunt cele mai frecvent utilizate tipuri de senzori de temperatură, deoarece pot fi folosite în aproape orice tip de echipament în care temperatura joacă un rol.

Termistoarele NTC au o relație de rezistență electrică negativă față de temperatură (R/T). Răspunsul negativ relativ mare al unui termistor NTC înseamnă că mici variații ale temperaturii pot provoca schimbări semnificative în rezistența sa electrică. Acest lucru le face ideale pentru măsurarea și controlul precis al temperaturii.

Dacă rezistența termistorului depinde în mare măsură de temperatură, trimițând un curent constant prin termistor și măsurând căderea de tensiune pe acesta, putem determina rezistența și temperatura.

Termistoarele NTC sunt de obicei caracterizate de rezistența lor de bază la temperatura camerei, adică 25°C (77°F), deoarece aceasta oferă un punct de referință convenabil. De exemplu, 2k2 Ω la 25°C, 10 kΩ la 25°C sau 47 kΩ la 25°C, etc.

O altă caracteristică importantă este valoarea "B". Valoarea B este o constantă de material determinată de materialul ceramic din care este făcută și descrie gradientul curbei rezistive (R/T) pe un anumit interval de temperatură între două puncte de temperatură. Fiecare material termistor va avea o constantă diferită de material și, prin urmare, o curbă diferită de rezistență față de temperatură.

Deci, valoarea B va defini valoarea rezistivă a termistorului la prima temperatură sau la punctul de bază (care este de obicei 25°C), numit T1, și valoarea rezistivă a termistorului la un al doilea punct de temperatură, de exemplu 100°C, numit T2. Prin urmare, valoarea B va defini constanta de material a termistorului între intervalul T1 și T2. Aceasta este BT1/T2 sau B25/100 cu valori B tipice termistorului NTC date undeva între 3000 și 5000.

Rețineți, totuși, că ambele puncte de temperatură T1 și T2 sunt calculate în unitățile de temperatură Kelvin unde 0°C = 273,15 Kelvin. Astfel, o valoare de 25°C este egală cu 25° + 273,15 = 298,15 K, iar 100°C este egală cu 100°+ 273,15 = 373,15 K, etc.

Astfel, prin cunoașterea valorii B a unui anumit termistor (obținut din fișa tehnică a producătorilor), este posibil să se producă un tabel de temperatură versus rezistență pentru a construi un grafic adecvat folosind următoarea ecuație normalizată:

Ecuația termistorului

unde:
T1 este primul punct de temperatură în Kelvin
T2 este al doilea punct de temperatură în Kelvin
R1 este rezistența termistorilor la temperatura T1 în Ohmi
R2 este rezistența termistorilor la temperatura T2 în Ohmi

Exemplul nr. 1 de termistor

Un termistor NTC de 10 kΩ are o valoare B de 3455 între intervalul de temperatură de 25°C până la 100°C. Calculați valoarea sa rezistivă la 25°C și la 100°C.

Date: B = 3455, R1 = 10 kΩ la 25°C. Pentru a converti scala de temperatură de la grade Celsius °C la grade Kelvin adăugați constanta matematică 273,15.

Valoarea lui R1 este dată deja ca rezistență de bază de 10 kΩ, astfel valoarea lui R2 la 100°C este calculată ca:

Oferind următoarele două caracteristici ale graficului:

Rețineți că în acest exemplu simplu s-au găsit doar două puncte, dar în general termistoarele își schimbă rezistența exponențial cu modificări ale temperaturii, astfel încât curba lor caracteristică este neliniară, prin urmare, cu cât mai multe puncte de temperatură sunt calculate, cu atât curba va fi mai precisă.

iar aceste puncte pot fi reprezentate astfel încât să ofere o curbă mai exactă a caracteristicilor pentru termistorul NTC 10 kΩ care are o valoare B de 3455.

Curba caracteristică termistorului NTC

Observați că are un coeficient de temperatură negativ (NTC), adică rezistența sa scade cu creșterea temperaturii.

Utilizarea unui termistor pentru măsurarea temperaturii

Deoarece un termistor este un tip activ al unui senzor, adică necesită un semnal de excitație pentru funcționarea acestuia, orice modificare a rezistenței sale ca urmare a schimbărilor de temperatură poate fi transformată într-o schimbare de tensiune.

Cea mai simplă modalitate de a face acest lucru este să folosiți termistorul ca parte a unui circuit divizor de potențial așa cum este arătat. O tensiune constantă este aplicată pe circuitul rezistor și termistor serie cu tensiunea de ieșire măsurată pe termistor.

Dacă, de exemplu, folosim un termistor de 10 kΩ cu un rezistor serie de 10 kΩ, atunci tensiunea de ieșire la temperatura de bază de 25°C va fi jumătate din tensiunea de alimentare.

Atunci când rezistența termistorului se schimbă datorită variațiilor de temperatură, fracția tensiunii de alimentare a termistorului se modifică și produce o tensiune de ieșire care este proporțională cu fracțiunea din rezistența totală serie dintre terminalele de ieșire.

Astfel, circuitul divizor de potențial este un exemplu de rezistență simplă pentru convertorul de tensiune în care rezistența termistorului este controlată de temperatură, iar tensiunea de ieșire produsă este proporțională cu temperatura. Deci, cu cât termistor devine mai fierbinte, cu atât tensiunea este mai mică.

Dacă am inversa pozițiile rezistorului serie, RS și termistor, RTH, atunci tensiunea de ieșire se va schimba în direcția opusă, adică dacă este mai cald termistorul, cu atât tensiunea de ieșire este mai mare.

Putem folosi termistoare NTC ca parte a unei configurații de detectare a temperaturii folosind un circuit punte, așa cum este arătat. Relația dintre rezistorii R1 și R2 stabilește tensiunea de referință, VREF la valoarea cerută. De exemplu, în cazul în care ambii R1 și R2 sunt de aceeași valoare, tensiunea de referință va fi egală cu Vs/2.

Pe măsură ce temperatura și, prin urmare, rezistența termistorului variază, tensiunea la VTH se modifică, fie mai mare, fie mai mică decât VREF, produ-când un semnal de ieșire pozitiv sau negativ către amplificatorul conectat.

Circuitul amplificator utilizat pentru acest circuit punte de detectare a temperaturii poate acționa ca amplificator diferențial, pentru sensibilitate și amplificare ridicate, sau ca circuit trigger-Schmitt pentru comutare ON-OFF.

Problema cu trecerea unui curent prin termistor în acest fel este că termistoarele produc ceea ce se numește efect de auto-încălzire, adică disiparea puterii I²R poate fi suficient de mare pentru a crea mai multă căldură decât poate fi disipată de termistor afectând valoarea sa rezistivă și producând rezultate false.

Astfel, este posibil ca, dacă curentul prin termistor este prea mare, aceasta ar duce la o disipare a puterii sporită și, pe măsură ce crește temperatura, rezistența acestuia scade, determinând un curent mai mare, ceea ce crește temperatura, rezultând în ceea ce este cunoscut sub numele de Thermal Runaway. Cu alte cuvinte, dorim ca termistorul să fie fierbinte datorită temperaturii exterioare măsurate și nu prin autoîncălzire.

Deci, valoarea pentru rezistorul serie, RS, de mai sus, ar trebui să fie aleasă pentru a oferi un răspuns rezonabil larg pe intervalul de temperaturi pentru care termistorul poate fi utilizat, în același timp, limitând curentul la o valoare sigură la cea mai înaltă temperatură.

O modalitate de îmbunătățire în acest sens și o conversie mai exactă a rezistenței în temperatură (R/T) este prin comanda termistorului cu o sursă de curent constantă. Variația rezistenței poate fi măsurată prin utilizarea unui curent continuu mic și măsurat, sau DC, trecut prin termistor pentru a măsura căderea de tensiune produsă.

Termistor folosit pentru suprimarea curentului de pornire (inrush)

Echipamentele electrice inductive, cum ar fi motoarele, transformatoarele, balastul de iluminare etc., suferă de curenți excesivi de pornire atunci când sunt comutate ON inițial. Dar termistoarele conectate în serie pot fi utilizate pentru a limita efectiv acești curenți inițiali mari la o valoare sigură. Termistoarele NTC cu valori scăzute ale rezistenței la rece (la 25°C) sunt utilizate în general pentru reglarea curentului.

Termistor de limitare a curentului de pornire

Dispozitivele supresoare de curent inrush și limitatoarele de supratensiune sunt tipuri de termistor conectat în serie, a cărui rezistență scade la o valoare foarte scăzută, deoarece este încălzit de curentul de sarcină care trece prin el. La pornirea inițială, valoarea rezistenței la rece a termistorului (rezistența de bază) este destul de ridicată, controlând curentul de pornire inițial spre sarcină.

Ca urmare a curentului de sarcină, termistul se încălzește și reduce rezistența sa relativ încet până la punctul în care puterea disipată pe el este suficientă pentru a-și menține valoarea scăzută a rezistenței cu cea mai mare parte a tensiunii aplicate dezvoltată pe sarcină.

Datorită inerției termice a masei sale, acest efect de încălzire durează câteva secunde, timp în care curentul de sarcină crește treptat, mai degrabă decât instantaneu, astfel încât orice curent ridicat de intrare este limitat și puterea pe care o extrage se reduce în consecință. Datorită acestei acțiuni termice, termistoarele de suprimare a curentului de pornire pot funcționa foarte fierbinte în starea de rezistență scăzută, astfel necesită o perioadă de răcire sau recuperare după eliminarea puterii pentru a permite rezistența termistorului NTC să crească suficient pentru a asigura suprimarea curentul de intrare data viitoare, când este necesar.

Astfel, viteza de răspuns a unui termistor limitator de curent este dată de constanta sa de timp. Adică, timpul necesar pentru rezistența sa să varieze cu 63% (adică 1 la 1/e) din variația totală. De exemplu, presupunem că temperatura ambiantă se schimbă de la 0 la 100°C, atunci constanta de timp de 63% ar fi timpul necesar ca termistorul să aibă o valoare rezistivă la 63°C.

Astfel, termistoarele NTC asigură protecție împotriva curenților de pornire mari nedoriți, în timp ce rezistența lor rămâne neglijabil de scăzută în timpul funcționării continue de alimentare a sarcinii. Avantajul este că aceștia au capacitatea de a gestiona eficient curenții de pornire mult mai mari decât rezistoarele de limitare de curent fixe standard cu același consum de energie.

Rezumat Termistor

Am văzut că un termistor este un traductor rezistiv cu două terminale, care își schimbă valoarea rezistivă cu variația temperaturii ambiante, prin urmare numit rezistor termic sau pur și simplu "termistor".

Termistoarele sunt senzori de temperatură ieftini și ușor de obținut, construiți folosind oxizi de metale semiconductoare și sunt disponibile fie cu un coeficient de temperatură negativ (NTC) de rezistență, fie cu un coeficient de temperatură pozitiv (PTC) de rezistență. Diferența constă în faptul că termistoarele NTC reduc rezistența lor pe măsură ce temperatura crește, în timp ce termistoarelei PTC își măresc rezistența pe măsura creșterii temperaturii.

Termistoarele NTC sunt cele mai utilizate (în special termistorul NTC 10KΩ) și, împreună cu un rezistor serie RS poate fi utilizat ca parte a unui simplu circuit divizor de potențial, astfel încât variațiile rezistenței sale datorate variațiilor de temperatură, produc o tensiunea de ieșire legată de temperatură.

Dar, curentul de funcționare al termistorului trebuie să fie cât mai scăzut posibil pentru a reduce orice efecte de auto-încălzire. Dacă trec curenți de funcționare prea mari, pot crea mai multă căldură decât poate fi disipată rapid de termistor, ceea ce ar putea produce rezultate false.

Termistoarele sunt caracterizate prin rezistența de bază și valoarea lor B. Rezistența de bază, de exemplu, 10 kΩ, este rezistența termistorului la o temperatură dată, de obicei 25°C și este definită ca: R25. Valoarea B este o constantă de material fixă care descrie forma pantei curbei de rezistență cu temperatura (R/T).

De asemenea, am văzut că termistoarele pot fi utilizate pentru a măsura o temperatură externă sau pot fi utilizate pentru a controla un curent ca urmare a efectului de încălzire I²R, cauzat de curentul care trece prin el. Prin conectarea unui termistor NTC în serie cu o sarcină, este posibilă limitarea efectivă a curenților mari de pornire.