Cosa è un termistore?

Cos'è un termistore?

Definizione di termistore

Un termistore (o resistenza termica) è definito come un resistore la cui resistenza elettrica varia significativamente con i cambiamenti di temperatura.

I termistori agiscono come componenti passivi in un circuito. Sono un modo preciso, economico e robusto per misurare la temperatura.

Anche se i termistori non sono efficaci a temperature estreme, sono sensori preferiti per molte applicazioni.

I termistori sono ideali quando è richiesta una lettura precisa della temperatura. Il simbolo del circuito per un termistore è mostrato di seguito:

Utilizzi dei termistori

I termistori hanno una varietà di applicazioni. Vengono ampiamente utilizzati come modo per misurare la temperatura come termometro a termistore in molti diversi ambienti liquidi e di aria ambiente. Alcune delle applicazioni più comuni dei termistori includono:

• Termometri digitali (termostati)

• Applicazioni automobilistiche (per misurare le temperature dell'olio e del refrigerante nelle auto e nei camion)

• Elettrodomestici (come microonde, frigoriferi e forni)

• Protezione del circuito (ad esempio protezione da sovratensione)

• Batterie ricaricabili (assicurare che la temperatura della batteria sia mantenuta corretta)

• Per misurare la conduttività termica dei materiali elettrici

• Utili in molti circuiti elettronici di base (ad esempio come parte di un kit di avviamento Arduino per principianti)

• Compensazione della temperatura (cioè mantenere la resistenza per compensare gli effetti causati dai cambiamenti di temperatura in un'altra parte del circuito)

• Utilizzati in circuiti ponte di Wheatstone

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento di un termistore è che la sua resistenza dipende dalla sua temperatura. Possiamo misurare la resistenza di un termistore utilizzando un ohmmetro.

Comprendendo come i cambiamenti di temperatura influenzano la resistenza di un termistore, possiamo misurarne la resistenza per determinare la temperatura.

Quanto la resistenza cambia dipende dal tipo di materiale utilizzato nel termistore. La relazione tra la temperatura e la resistenza di un termistore è non lineare. Un tipico grafico di un termistore è mostrato di seguito:

Se avessimo un termistore con il grafico di temperatura sopra, potremmo semplicemente allineare la resistenza misurata dall'ohmmetro con la temperatura indicata sul grafico.

Tracciando una linea orizzontale a partire dalla resistenza sull'asse y e tracciando una linea verticale giù dal punto in cui questa linea orizzontale interseca il grafico, possiamo quindi derivare la temperatura del termistore.

Tipi di termistori

Esistono due tipi di termistori:

• Termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC)

• Termistore a coefficiente di temperatura positivo (PTC)

Termistore NTC

In un termistore NTC, la resistenza diminuisce al crescere della temperatura e viceversa. Questa relazione inversa rende i termistori NTC il tipo più comune.

La relazione tra resistenza e temperatura in un termistore NTC è governata dalla seguente espressione:

• RT è la resistenza alla temperatura T (K)

• R0 è la resistenza alla temperatura T0 (K)

• T0 è la temperatura di riferimento (solitamente 25°C)

• β è una costante, il suo valore dipende dalle caratteristiche del materiale. Il valore nominale è preso come 4000.

Se il valore di β è alto, allora la relazione resistenza-temperatura sarà molto buona. Un valore più alto di β significa una maggiore variazione nella resistenza per lo stesso aumento di temperatura, aumentando così la sensibilità (e dunque l'accuratezza) del termistore.

Dall'equazione, possiamo determinare il coefficiente di resistenza-temperatura, che indica la sensibilità del termistore.

Sopra possiamo vedere chiaramente che αT ha un segno negativo. Questo segno negativo indica le caratteristiche negative di resistenza-temperatura del termistore NTC.

Se β = 4000 K e T = 298 K, allora αT = –0,0045/oK. Questo è molto superiore alla sensibilità del RTD di platino. Questo sarebbe in grado di misurare piccoli cambiamenti di temperatura.

Tuttavia, sono ora disponibili forme alternative di termistori fortemente dopati (a costo elevato) che hanno un coefficiente di temperatura positivo.

L'espressione (1) è tale che non è possibile fare un'approssimazione lineare alla curva anche su un piccolo intervallo di temperatura, e pertanto il termistore è decisamente un sensore non lineare.

Termistore PTC

Un termistore PTC ha la relazione inversa tra temperatura e resistenza. Quando la temperatura aumenta, la resistenza aumenta.

E quando la temperatura diminuisce, la resistenza diminuisce. Pertanto, in un termistore PTC, la temperatura e la resistenza sono proporzionali inversamente.

Anche se i termistori PTC non sono così comuni quanto i termistori NTC, vengono frequentemente utilizzati come forma di protezione del circuito. Simile alla funzione dei fusibili, i termistori PTC possono agire come dispositivi limitatori di corrente.

Quando la corrente passa attraverso un dispositivo, causerà una piccola quantità di riscaldamento resistivo. Se la corrente è sufficientemente grande da generare più calore di quanto il dispositivo possa disperdere nell'ambiente, allora il dispositivo si scalda.

In un termistore PTC, questo riscaldamento causerà anche un aumento della sua resistenza. Questo crea un effetto autoalimentante che spinge la resistenza verso l'alto, limitando quindi la corrente. In questo modo, agisce come dispositivo limitatore di corrente, proteggendo il circuito.

Caratteristiche del termistore

La relazione che governa le caratteristiche di un termistore è data di seguito come:

• R1 = resistenza del termistore alla temperatura assoluta T1[^oK]

• R2 = resistenza del termistore alla temperatura T2 [^oK]

• β = costante dipendente dal materiale del trasduttore (ad esempio un trasduttore oscillatore)

Nell'equazione sopra, possiamo vedere che la relazione tra temperatura e resistenza è altamente non lineare. Un termistore NTC standard solitamente presenta un coefficiente di resistenza-temperatura negativo di circa 0,05/^oC.

Costruzione del termistore

Per realizzare un termistore, due o più polveri semiconduttrici composte da ossidi metallici vengono mescolate con un legante per formare una pasta.

Piccole gocce di questa pasta vengono formate sui fili di connessione. Per scopi di essiccazione, dobbiamo metterla in un forno di sinterizzazione.

Durante questo processo, la pasta si restringerà sui fili di connessione per creare una connessione elettrica.

Questo ossido metallico processato viene sigillato con un rivestimento in vetro. Questo rivestimento in vetro conferisce al termistore proprietà impermeabili, migliorandone la stabilità.

Ci sono diverse forme e dimensioni di termistori disponibili sul mercato. I termistori più piccoli sono a forma di perline con diametro da 0,15 millimetri a 1,5 millimetri.

I termistori possono anche essere a forma di