Termistore NTC - MasterBlob

Il termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) gioca un ruolo importante nei sistemi elettronici che necessitano di una misura della temperatura oppure un controllo delle funzioni sulla base della temperatura.

Il termistore NTC è un tipo di resistore la cui resistenza elettrica diminuisce all’aumentare della temperatura. Questa caratteristica unica lo rende utile nelle applicazioni di misura e regolazione della temperatura, ed è quindi importante capirne il funzionamento per poterlo utilizzare al meglio.

I termistori NTC sono comunemente utilizzati in dispositivi come termostati, apparecchiature mediche e sistemi di climatizzazione, in cui la misura di una temperatura risulta fondamentale. Troviamo i termistori NTC anche in quei circuiti che richiedono protezione dalle correnti di spunto come, ad esempio, negli alimentatori oppure in presenza di carichi importanti come motori o trasformatori di potenza.

I termistori NTC sono dotati di elevata sensibilità e velocità nella risposta oltre ad avere dimensioni contenute ed essere a basso costo.

In questo articolo viene presentato il funzionamento del termistore NTC e le sue principali caratteristiche ed applicazioni.

Cos’è il termistore NTC

Il termistore NTC è un resistore variabile dotato di coefficiente di temperatura negativo. In quanto termistore ha la capacità di cambiare il valore di resistenza in funzione della temperatura. La caratteristica del termistore NTC, avendo un coefficiente di temperatura negativo, è quella di diminuire la sua resistenza all’aumentare della temperatura. Questo permette di avere un flusso crescente di corrente al crescere della temperatura.

I termistori NTC sono generalmente realizzati con ossido di semiconduttore ceramico combinati con altri materiali a seconda delle caratteristiche che si vogliono ottenere come ad esempio la manganese oppure il cobalto. I termistori NTC sfruttano la caratteristica dei semiconduttori di avere una piccola banda proibita. In presenza di calore gli elettroni nella banda di valenza hanno sufficiente energia per cambiare banda energetica e saltare nella banda di conduzione. Tale movimento di elettroni aumenta la conducibilità del materiale ovvero ne diminuisce la resistenza elettrica favorendo quindi il flusso di corrente.

Termistore NTC funzionamento

Il termistore NTC funziona diminuendo la propria resistenza elettrica all’aumentare della temperatura. Questa caratteristica lo rende adatto per utilizzi come il rilevamento della temperatura, la limitazione di corrente di spunto e la compensazione della temperatura.

Caratteristica Resistenza - Temperatura nel termistore NTC — Tipica caratteristica Resistenza – Temperatura nel termistore NTC

I termistori NTC, grazie al proprio comportamento, forniscono misurazioni della temperatura accurate e affidabili, offrendo anche capacità di autoregolazione in varie applicazioni di protezione dei circuiti. Sono ampiamente utilizzati nel rilevamento della temperatura, nella protezione dei circuiti e in altre applicazioni in cui è richiesto un controllo preciso della temperatura.

Come funziona un termistore NTC:

Proprietà dei materiali. I termistori NTC sono tipicamente realizzati con materiali di ossido metallico che presentano un coefficiente di temperatura negativo come manganese, nichel o cobalto miscelati con composti ceramici. Questi materiali permettono al termistore NTC di diminuire la propria resistenza elettrica all’aumentare della temperatura.
A basse temperature. Quando il termistore è a una temperatura relativamente bassa, la sua resistenza è elevata. In tale condizione l’agitazione termica del materiale con cui il termistore è composto è bassa e il numero di portatori di carica (elettroni) che possono condurre elettricità è limitato. Di conseguenza, il flusso di corrente è basso ed il termistore NTC si comporta come un resistore dotato di alta resistenza.
All’aumentare della temperatura. All’aumentare della temperatura del termistore NTC, la resistenza diminuisce. L’agitazione termica all’interno del materiale che lo compone eccita un numero elevato di elettroni, consentendo a questi di muoversi più liberamente e aumentando la conduttività del materiale. A temperature elevate, i portatori di carica (elettroni o lacune) sono più mobili, e questo favorisce la diminuzione della resistenza.
Caduta ripida della resistenza. All’aumentare della temperatura la resistenza diminuisce esponenzialmente, soprattutto entro un intervallo specifico di temperatura. La velocità con cui la resistenza diminuisce varia a seconda del materiale con cui è realizzato il termistore ed a secondo di come è realizzato.
Flusso di corrente. Quando la temperatura aumenta e la resistenza diminuisce, la corrente che attraversa il termistore aumenta. Ciò rende i termistori NTC particolarmente utili per applicazioni di limitazione della corrente di spunto. Nei circuiti in cui un dispositivo è sensibile alla temperatura, la resistenza variabile può regolare il flusso di corrente in base alla temperatura dell’ambiente.

Termistore NTC formula

Per esprimere la relazione resistenza-temperatura dei termistori NTC si utilizza la seguente formula:

$T = \frac{\beta}{ln(\frac{R}{R_0}e^{\frac{\beta}{T_0}})}$

dove:

T è il valore di temperatura in kelvin,
R è il valore di resistenza in ohm,
T₀ è il valore 298.15 ºK (ovvero 25 ºC, temperatura ambiente),
R₀ è il valore di resistenza alla temperatura T₀,
β è un parametro caratteristico del materiale del termistore.

Da notare che questa formula è esattamente l’equazione di Steinhart–Hart dove per i parametri A, B, C sono stati utilizzati i seguenti valori:

$A = \frac{1}{T_0}-\frac{1}{\beta}ln(R_0)$

$B = \frac{1}{\beta}$

$C = 0$

ovvero

$\frac{1}{T} = \frac{1}{T_0} + \frac{1}{\beta}*ln(\frac{R}{R_0})$

Il valore di β è tipicamente fornito dal fabbricante del termistore e si trova nella scheda tecnica del componente ma può essere comunque ricavato a partire da misure di resistenza a due diverse temperature attraverso la seguente formula:

$\beta = \frac{ln(\frac{R_{T1}}{R_{T2}})}{\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}}$

Tipi di termistore NTC

I termistori NTC sono disponibili in diversi tipi in base alla loro costruzione, alle proprietà dei materiali e alle esigenze applicative. I tipi principali di termistori NTC sono:

Termistori NTC incapsulati in resina epossidica:

Termistore incapsulato in resina epossidica

Questi termistori sono realizzati immergendo il componente nella resina e saldandone i fili per il collegamento. Presentano, in genere, una piccola area superficiale, sono adatti ad applicazioni in cui occorre considerare un intervallo di temperatura piuttosto ampio e sono molto utilizzati in applicazioni che richiedono una misura di temperatura.

Termistori NTC incapsulati a vetro:

Questi termistori vengono realizzati ponendo l’elemento sensibile del termistore all’interno di un rivestimento in vetro. Il vetro assicura una maggiore robustezza nella misura di temperatura in termini di stabilità. I termistori NTC sono spesso utilizzati in ambito automotive oppure in tutti quegli ambienti soggetti a condizioni ambientali difficili.

Termistori NTC SMD:

Questi termistori sono componenti di dimensioni estremamente contenute del tipo a montaggio superficiale (SMD – Surface Mounted Device). Come tali vengono installati direttamente su scheda PCB tipicamente in combinazione con degli integrati.

La composizione del materiale e la forma fisica di questi termistori influenzano la loro risposta termica, le caratteristiche di resistenza e l’idoneità per applicazioni particolari. In genere, i termistori NTC sono realizzati in ossidi metallici come manganese, cobalto o nichel, per avere una adeguata variazione della resistenza con la temperatura necessaria per un rilevamento accurato della temperatura.

Caratteristica tensione-corrente

Nel grafico seguente è mostrata la caratteristica tensione-corrente ovvero l’andamento della tensione in funzione della corrente nel termistore NTC.

Come si può vedere dal grafico, per bassi valori di corrente, la tensione segue linearmente la corrente poiché la resistenza del termistore è quasi costante. Superato un certo valore di corrente che dipende dal materiale del termistore, la relazione tra tensione e corrente non è più lineare. A questo punto la curva raggiunge il suo picco, la temperatura del resistore inizia ad essere elevata, il materiale aumenta la propria conducibilità elettrica, il termistore diminuisce la resistenza e quindi aumenta il flusso di corrente che lo attraversa. Oltre un certo valore di corrente il termistore potrebbe aver raggiunto i limiti fisici di tenuta ed un piccolo aumento di temperatura potrebbe portare la rottura del componente.

Termistore NTC applicazioni

I termistori NTC sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni che richiedono un rilevamento preciso della temperatura. Ecco le principali applicazioni dei termistori NTC:

Rilevamento della temperatura: i termistori NTC vengono spesso utilizzati con funzione di termometro ovvero per misurare la temperatura ed eventualmente condizionare il resto del circuito.
Compensazione della temperatura: i termistori NTC trovano applicazione in tutti quei circuiti in cui la variazione di temperatura ambientale ha degli effetti negativi sui componenti. Circuiti con LED, oscillatori e batterie ricaricabili presentano spesso termistori NTC che permettono di stabilizzare la temperatura prevenendo danni irreversibili sui dispositivi e quindi tutelandone la vita utile.
Protezione dalla corrente di spunto: i termistori NTC possono essere utilizzati a protezione dei circuiti che presentano dei rami a bassa impedenza. In presenza di condensatori scarichi oppure di motori fermi, all’accensione del circuito, la bassa impedenza può portare a dei picchi di corrente impulsiva. In queste situazioni viene utilizzato il termistore NTC sfruttandone la caratteristica di avere un alto valore di resistenza a bassa temperatura. All’accensione del circuito che protegge, quando il termistore NTC è raggiunto dal picco dovuto alla corrente di spunto, ne ostacola l’intensità tramite la propria resistenza favorendo un flusso di corrente ridotto ai dispositivi a valle. Quando la corrente si sarà stabilizzata, l’aumento di temperatura abbasserà la resistenza del termistore permettendo un utilizzo efficiente del carico.

I termistori NTC garantiscono elevata sensibilità alle variazioni di temperatura, permettono misurazioni e controlli della temperatura accurati e affidabili e per questo vengo impiegati in una grande varietà di applicazioni in ambito elettronico.