A cosa serve il termistore e come funziona

Il termistore è un tipo di resistore sensibile alla temperatura che permette un controllo preciso della temperatura e di proteggere parti di circuito o componenti. Il termistore serve a controllare o misurare la temperatura e funziona come un resistore variabile. Il nome “termistore” deriva dalla combinazione di “termico” e “resistore”, che riflette la sua capacità di modificare la resistenza con le variazioni di temperatura. I termistori sono disponibili in due tipi principali: NTC (coefficiente di temperatura negativo) e PTC (coefficiente di temperatura positivo), ciascuno con caratteristiche distinte.

La proprietà fondamentale dei termistori è quella di variare la loro resistenza dipendente dalla temperatura. Nei termistori NTC, la resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura e risultano utili per misurare la corrente. Al contrario, i termistori PTC aumentano la propria resistenza all’aumentare della temperatura, offrendo quindi protezione in caso, ad esempio, di sovracorrente.

I termistori sono componenti molto versatili ed ampiamente utilizzati in svariate applicazioni industriali così come nell’elettronica di consumo. Troviamo i termistori nei frigoriferi, nei condizionatori d’aria e macchine per il caffè, ma anche in termometri digitali, alimentatori, etc.

In questo articolo, approfondiremo i principi di funzionamento dei termistori, il loro utilizzo e le principali applicazioni.

Cosa è un termistore

Il termistore è un resistore variabile la cui resistenza cambia con la temperatura. È tipicamente realizzato con materiali semiconduttori ceramici oppure ossido di metalli quali ad esempio il rame, il cobalto, la manganese, etc. È utilizzato in applicazioni dove la temperatura rappresenta un parametro critico per la protezione di parti di circuito oppure componenti. La caratteristica principale del termistore è che la variazione del valore di resistenza è generalmente non lineare con la variazione di temperatura. Per poter calcolare il valore della temperatura a partire dalla misura della resistenza del termistore, si applica la cosiddetta equazione di Steinhart–Hart:

   

Dove, con riferimento al termistore:

• T è il valore di temperatura in kelvin,
• R è il valore di resistenza elettrica in ohm,
• A, B, C sono parametri caratteristici del materiale semiconduttore.

Occorre tenere presente che l’equazione di Steinhart–Hart è un semplice modello per rappresentare l’andamento non lineare della resistenza in funzione della temperatura tramite una equazione di terzo ordine. Tale modello è quindi una approssimazione, considerata comunque valida per intervalli ristretti di temperatura. Per poter risolvere questa equazione occorre conoscere i parametri A, B e C che, dipendendo dal materiale con cui è costruito il termistore devono essere forniti dal fabbricante. In alternativa è possibile utilizzare un approccio inverso ovvero misurare diversi valori di temperatura e resistenza e ricavarsi i parametri della curva tramite fitting.

Tipi di termistore

A seconda delle caratteristiche fisiche del materiale con cui è costruito, il termistore è in grado di variare la propria resistenza elettrica con la temperatura. Questo si ottiene sfruttando l’agitazione termica degli elettroni che si muovono liberamente all’interno del reticolo cristallino del semiconduttore di cui sono fatti oppure variando la struttura del reticolo stesso.

Sulla base del materiale con cui sono realizzati, i tipi di termistore sono:

• termistore PTC (Positive Temperature Coefficient) con coefficiente di temperatura positivo,
• termistore NTC (Negative Temperature Coefficient) con coefficiente di temperatura negativo.

Il termistore PTC è un resistore variabile che aumenta il proprio valore di resistenza elettrica all’aumentare della temperatura.

Il termistore NTC è un resistore variabile che diminuisce il proprio valore di resistenza elettrica all’aumentare della temperatura.

Il termistore è un componente altamente non lineare e dotato di elevata sensibilità alle variazioni di temperatura.

Caratteristiche del termistore

Il termistore è un componente a basso costo dotato di elevata sensibilità alla temperatura. Tale caratteristica di sensibilità è più elevata rispetto a quella della termocoppia oppure alla termoresistenza (rivelatore di temperatura a resistenza – RTD). Tuttavia, questa elevata sensibilità porta con sé anche delle problematiche ed in particolare la scarsa linearità. La resistenza non varia in maniera costante alla variazione della temperatura.

La caratteristica resistenza-temperatura può essere ritenuta lineare solo su piccoli intervalli di temperatura. Se invece dobbiamo considerare grandi intervalli di temperatura, occorre prevedere un circuito di linearizzazione. Questo è ottenuto, tipicamente, utilizzando il termistore in combinazione con un resistore.

Le caratteristiche principali del termistore sono:

• elevata sensibilità alla temperatura
• è un componente molto delicato
• l’intervallo di temperatura in cui è capace di lavorare è tipicamente piuttosto ristretto (circa 150-200 ºC)
• basso tempo di risposta alle variazioni di temperatura.

Occorre inoltre considerare che, sempre a causa dell’elevata sensibilità, il termistore può facilmente produrre errori di misura. Questi errori sono tipicamente dovuti alle piccole variazioni di temperatura dovute al riscaldamento del termistore stesso o dell’ambiente in cui è installato.

A cosa serve il termistore?

Grazie alla capacità di variare la resistenza in funzione della temperatura, il termistore è principalmente utilizzato per effettuare misure di temperatura in maniera analoga alla termocoppia ed alla termoresistenza RTD. Sebbene siano poco stabili sono caratterizzati da una buona sensibilità e hanno un basso costo.

Grazie alla loro capacità di rispondere velocemente alle variazioni di temperatura sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni.

Alcune applicazioni tipiche includono:

• Rilevamento della temperatura: i termistori si trovano spesso nei termometri digitali, nei sistemi dell’aria condizionata e nei sensori di temperatura per autoveicoli. Possono misurare la temperatura con elevata precisione.
• Protezione da sovracorrente: nei termistori PTC, la resistenza aumenta con la temperatura. Limitando la quantità di corrente che scorre attraverso un circuito, lo protegge da una corrente eccessiva. Per questa proprietà il termistore PTC è utilizzatonei circuiti di protezione con funzione analoga a quella dei fusibili autoripristinabili.
• Compensazione della temperatura: i termistori giocano un ruolo importante negli alimentatori o circuiti oscillatori per compensare le variazioni di temperatura che potrebbero altrimenti causare instabilità.
• Batterie: i termistori sono spesso utilizzati per il monitoraggio della temperatura delle batterie al litio. Queste batterie sono tipicamente soggette a surriscaldamento durante la fase di carica o scarica eccessiva.
• Elettronica di consumo: i termistori sono frequentemente utilizzati all’interno di frigoriferi, condizionatori etc per regolare la temperatura.

Le applicazioni in cui sono utilizzati i termistori dipendono da come sono costruiti, dal materiale con cui sono realizzati. Questi aspetti ne determinano le caratteristiche elettriche e la variazione della corrente in funzione della temperatura.

Le applicazioni tipiche per i termistori PTC ed i termistori NTC sono le seguenti:

• Termistori PTC sono tipicamente utilizzati per assicurare protezione da sovratemperatura, per limitare la corrente di spunto oppure per funzioni di autoregolazione della temperatura.
• Termistori NTC sono tipicamente utilizzati in applicazioni per la misura della temperatura, per il controllo della temperatura (es. nei sistemi di allarme), soppressione dei surge (impulsi di tensione).

Ogni tipo di termistore, a seconda della propria caratteristiche temperatura-resistenza, svolge una funzione particolare. Questo lo rende un componente molto versatile e che si presta a svariate applicazioni nei sistemi elettronici.

Simbolo del termistore

Nei circuiti elettrici il termistore è rappresentato dal simbolo seguente:

Da notare che il simbolo del termistore riprende il simbolo del resistore con l’aggiunta di una linea spezzata a significare la dipendenza dalla temperatura. Nella parte inferiore del simbolo, in prossimità della linea spezzata è solito inserire il simbolo “+t°” per indicare il coefficiente di temperatura positivo e quindi identificare i termistori PTC oppure il simbolo “-t°” per i termistori NTC.

Circuito con termistore

Il termistore viene utilizzato all’interno dei circuiti elettrici principalmente per assolvere a funzioni di protezione oppure di misura. Il limite principale del termistore è la scarsa linearità e per questo viene spesso utilizzato in combinazione con un resistore. Di seguito vediamo alcuni semplici circuiti che utilizzano un termistore.

In questa immagine vediamo tre diverse configurazioni, tutte molto simili, in cui il resistore è utilizzato all’interno di una porzione di circuito partitore. La tensione di uscita è modulata in base al valore di resistenza che il termistore assume in funzione della temperatura. Nel circuito a sinistra troviamo la classica configurazione del partitore di tensione. Nel circuito al centro il termistore è posto in parallelo ad un resistore in maniera da ridurne la non linearità. Nel circuito a destra è presente un generatore di corrente al fine di limitare eventuali oscillazioni provenienti dalla tensione Vcc.

In questa immagine si può vedere una tipica configurazione in cui il termistore è utilizzato per proteggere le linee in ingresso oppure in uscita di un raddrizzatore a diodi. In maniera del tutto analoga possiamo trovare il termistore sul primario di un trasformatore elettrico.

In questa immagine vediamo un esempio di configurazione circuitale in cui il termistore è utilizzato per controllare l’attivazione di un carico. Nello specifico, il termistore si trova in ingresso ad un comparatore che, quando rileva il superamento di una certa soglia di tensione (che equivale ad una soglia di temperatura) fornisce in uscita una tensione. La tensione in uscita dal comparatore attiva a sua volta il carico tramite il pilotaggio di un transistore che agisce da interruttore.

Il termistore in breve

Il termistore è un tipo di resistore variabile la cui resistenza elettrica varia al variare della temperatura. Esistono due tipi di termistori:

• termistore PTC: aumenta la resistenza all’aumentare della temperatura,
• termistore NTC: diminuisce la resistenza all’aumentare della temperatura.

Il termistore è utilizzato in tantissime applicazione dove la temperatura è un parametro critico come ad esempio: circuiti di protezione di convertitori elettrici, circuiti di protezione di motori o trasformatori, circuiti per la misura della temperatura, circuiti per il controllo dei processi. Una caratteristica del termistore è la sua scarsa linearità e per questo viene utilizzato spesso in combinazione con un resistore. Il termistore è dotato di una rapida reazione alle variazioni di temperatura ma allo stesso tempo è sensibile ai quei piccoli sbalzi di temperatura ambiente che possono portare a rilevazioni errate.