Termistore PTC

Il termistore a coefficiente di temperatura positivo (PTC) è un resistore che aumenta la resistenza all’aumentare della temperatura. È utilizzato in svariate applicazioni elettroniche principalmente con funzioni di regolazione della temperatura e di protezione.

I termistori PTC sono spesso utilizzati nei dispositivi di protezione da sovracorrente, dove agiscono come fusibili autoripristinanti. Questa caratteristica autoripristinante rende i termistori PTC più affidabili ed economici rispetto ai fusibili tradizionali. Inoltre, i termistori PTC sono ampiamente utilizzati per come regolatori di temperatura e protezione dalla sovratemperatura.

Nella progettazione elettronica e nella sicurezza dei circuiti, è essenziale comprendere il comportamento e la funzionalità dei termistori PTC che sono un componente indispensabile nella applicazioni dove la temperatura è un parametro critico.

Cos’è il termistore PTC

Il termistore PTC è un resistore variabile con coefficiente di temperatura positivo. Questo termistore aumenta la propria resistenza elettrica all’aumentare della temperatura. È un termistore realizzato tipicamente in materiale ceramico semiconduttore drogato con atomi di titanato di bario. La presenza del titanato di bario o materiali simili realizza fisicamente la proprietà del termistore PTC di aumentare la resistenza con la temperatura. Il titanato di bario infatti a temperatura ambiente presenta una struttura del reticolo cristallino tetragonale. Tale struttura facilita il movimento delle cariche elettriche e quindi la conduttività del materiale. All’aumentare della temperatura, il titanio di bario cambia la propria struttura reticolare che diventa cubica, diventa più marcata la presenza di una barriera di potenziale e di conseguenza aumenta rapidamente il valore di resistenza elettrica.

Termistore PTC funzionamento

Il termistore PTC funziona aumentando la propria resistenza elettrica all’aumento della temperatura. Tale aumento di temperatura limita il flusso di corrente che attraversa il conduttore o raggiunge il dispositivo proteggendolo da sovracorrente e surriscaldamento.

Al diminuire della temperatura si riduce il valore di resistenza permettendo il normale flusso di corrente. Questo principio di autoregolazione rende il termistore PTC adatto ad applicazioni che richiedono la protezione dei circuiti, la protezione dei motori oppure per regolare il funzionamento di elementi riscaldanti.

Come funziona un termistore PTC:

• Proprietà dei materiali. I termistori PTC sono solitamente realizzati in materiali ceramici con coefficiente di temperatura positivo, come il titanato di bario o altri ossidi metallici. Questi materiali vengono scelti perché la loro resistenza elettrica aumenta all’aumentare della temperatura.
• A basse temperature. A basse temperature, come ad esempio quando il circuito è stato appena messo in funzione, il termistore PTC è a bassa temperatura ed ha una resistenza relativamente bassa. In queste condizioni la corrente scorre liberamente attraverso il termistore come se fosse un normale resistore.
• All’aumentare della temperatura. Quando il termistore PTC è attraversato da corrente oppure in presenza di un riscaldamento esterno, la sua temperatura aumenta e, superata una certa temperatura di soglia, la sua resistenza aumenta esponenzialmente. Questo avviene perché, a livello molecolare, si modifica la struttura del reticolo cristallino del materiale ceramico ostacolando il flusso dei portatori di carica (elettroni). L’aumento del valore di resistenza porta ad una riduzione del flusso di corrente proteggendo così il resto del circuito da sovracorrente o dall’eccessivo surriscaldamento.
• Autoregolazione. Una delle caratteristiche principali dei termistori PTC è l’autoregolazione. Il termistore, quando si riscalda, aumenta la sua resistenza riducendo il flusso di corrente che lo attraversa. Questa diminuzione di corrente, in assenza di fattori esterni, ne provoca il raffreddamento. Al diminuire della temperatura, la resistenza si riduce nuovamente, consentendo il flusso di più corrente. Ciò crea un ciclo, in cui il termistore regola automaticamente la propria temperatura e il flusso di corrente. Questo permette di mantenere, ad esempio, gli elementi riscaldanti ad una temperatura costante.
• Ripristino. Una volta che il termistore si raffredda e la sua resistenza torna a un valore inferiore, la corrente può nuovamente fluire liberamente attraverso il circuito. Questo processo è chiamato di autoripristino e rende i termistori PTC utili per proteggere i circuiti da condizioni di sovracorrente senza la necessità di sostituire un fusibile o altri dispositivi di protezione. Il termistore si comporta come un fusibile autoripristinabile.

Applicazioni tipiche per un termistore PTC sono la protezione dalla sovratemperatura, la limitazione della sovracorrente ed il riscaldamento autoregolato. Tipiche temperatura di lavoro per i termistori PTC in silicio sono nell’intervallo di temperature comprese tra -50 ºC fino a 120 ºC.

Tipi di termistore PTC

I termistori PTC si dividono in due grandi famiglie: silistori e switching. Di seguito vediamo le caratteristiche principali.

• Silistore: questo tipo di termistore PTC è realizzato in materiale semiconduttore, tipicamente il silicio. Questo silicio è sottoposto a drogaggio per caratterizzarne la risposta alla temperatura. Presenta una caratteristica resistenza-temperatura quasi lineare e per questo si presta ad essere utilizzato nei sensori.

• Switching PTC: i termistori PTC switching sono realizzati con materiali che contengono bario che ne conferisce una caratteristica resistenza temperatura particolarmente non lineare. Sono la tipologia di termistori più diffusa. I termistori PTC switching sono chiamati così perché rimangono stabili a temperature “normali” ma poi, giunto ad una certa soglia che dipende dal materiale, agiscono come un interruttore innalzando rapidamente il proprio valore di resistenza elettrica. Questa caratteristica li rende molto utili per la protezione dei circuiti.

Caratteristica tensione-corrente

La caratteristica tensione-corrente del termistore PTC ha un andamento che dipende dal meccanismo di autoriscaldamento del termistore (self-heating) che a sua volta dipende dal tipo di materiale utilizzato. Il meccanismo di autoriscaldamento è quel fenomeno che si verifica quando il termistore, per effetto della corrente che lo attraversa, si riscalda. L’eventuale variazione di resistenza che ne deriva non è quindi dovuta ad una variazione della temperatura ambientale ma semplicemente alla dissipazione di calore del termistore.

Si può notare che tensione e corrente hanno un andamento lineare secondo la legge di Ohm ovvero che per bassi valori di tensione, tensione e corrente crescono di pari passo. Questo significa che il termistore presenta una resistenza fissa per questo intervallo di valori di tensione. Oltre un verto valore di tensione, la corrente che attraversa il termistore diminuisce velocemente a causa dell’aumento del valore di resistenza elettrica.

Termistore PTC applicazioni

Il termistore PTC è ampiamente utilizzato in una varietà di applicazioni in cui la resistenza dipendente dalla temperatura è vantaggiosa. Ecco alcune applicazioni comuni dei termistori PTC:

1. Protezione da sovracorrente: i termistori PTC sono utilizzati nei circuiti elettrici come fusibili ripristinabili. Quando la corrente che scorre attraverso il circuito supera un certo limite, il termistore si riscalda e la sua resistenza aumenta rapidamente, limitando così la corrente e proteggendo il circuito. Una volta che il circuito si raffredda, il termistore torna al suo stato normale e la corrente può fluire di nuovo.
2. Rilevamento della temperatura: i termistori PTC sono spesso utilizzati in applicazioni di rilevamento della temperatura, come nei dispositivi di monitoraggio della temperatura o nei sistemi di controllo della temperatura. All’aumentare della temperatura, la resistenza aumenta e questa variazione può essere misurata per determinare la temperatura.
3. Regolatori di temperatura: i termistori PTC sono utilizzati negli elementi riscaldanti autoregolanti, come nei termoventilatori con riscaldatori in ceramica o nei riscaldatori per sedili per automobili. Quando il riscaldatore diventa troppo caldo, la resistenza del PTC aumenta, limitando il flusso di corrente e prevenendo il surriscaldamento.
4. Protezione del motore: l’applicazione più comune dei termistori PTC è quella per la protezione termica dei motori. Il termistore PTC è tipicamente inserito in serie agli avvolgimenti del motore per fornire protezione in caso di guasto. Se, ad esempio, il motore va in blocco, l’energia elettrica nominale non è più sufficiente per svolgere il lavoro meccanico di rotazione. In questa situazione il motore comincia ad assorbire maggiore corrente, surriscaldandosi. La resistenza del termistore PTC aumenta, riducendo il flusso di corrente e proteggendo il motore da danni.
5. Protezione della batteria: i termistori PTC sono utilizzati nei pacchi batteria ed in particolare nei BMS (Battery Management System) per prevenire condizioni di surriscaldamento e sovracorrente. Se la temperatura della batteria aumenta troppo, la resistenza del termistore aumenta, impedendo ulteriori cariche o scariche.

Queste applicazioni sfruttano la capacità unica del termistore PTC di rispondere alle variazioni di temperatura, fornendo protezione, regolazione e stabilizzazione in un’ampia gamma di dispositivi e sistemi.

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