Termistorul prezintă o rezistență electrică a cărei valoare ohmică depinde în cea mai mare măsură de temperatură. De fapt, denumirea de termistor derivă de la expresia „rezistență termosensibilă”.
În practică se întâlnesc două categorii de termistoare, și anume cu coeficient de temperatură negativ, notate în schemă cu NTC, și cu coeficient de temperatură pozitiv, notate în schemă cu PTC.
Domeniul de aplicație al termistoarelor este foarte mare, ele fiind folosite în aparate electronice de măsură, în aparate medicale, aparate de radio etc.
Termistoarele NTC sunt definite prin trei caracteristici principale:
- Caracteristica rezistență-temperatură este redată în fig. 1. Din fig. 1 se vede că rezistența scade în funcție de creșterea temperaturii. Curba nu este liniară.
- Caracteristica tensiune-curent. Când unui termistor i se aplică o tensiune mică, acesta nu se încălzește peste temperatura mediului ambiant, fiind parcurs de un curent foarte mic. Dacă se mărește tensiunea progresiv, conform fig. 2, până la punctul B, termistorul se încălzește, iar rezistența scade, astfel încât curentul care îl parcurge crește. Din acest punct, alura curbei se modifică în așa fel încât pe porțiunea BC tensiunea scade, crescând curentul, iar termistorul are o „rezistență” negativă. Partea coborâtoare este regiunea de funcționare efectivă a termistorului NTC.
- Caracteristica curent-timp este arătată în fig. 3.
Dacă se aplică o tensiune constantă la un termistor NTC legat în serie cu o rezistență ohmică, circulă un curent mic, iar căldura dezvoltată este mică. În funcție de timpul în care circulă curentul prin sistemul arătat în fig. 3 a, temperatura termistorului crește, iar rezistența sa scade.
Pe de altă parte, rezistența ohmică ce se găsește în serie cu termistorul devine din ce în ce mai caldă datorită creșterii curentului, micșorându-se rezistența termistorului.
Acest proces continuă până când rezistența termistorului este compensată de rezistența ohmică. Atunci sistemul este în echilibru, iar curentul are atins valoarea sa maximă, după cum se vede în fig. 3.
Timpul T necesar pentru stabilirea echilibrului depinde de rezistența totală a circuitului, de tensiunea aplicată și de căldura cedată de termistor.
Parametrii principali ai termistoarelor sunt:
- Valoarea rezistenței nominale R 25 ± 5% prin care se înțelege rezistența termistorului la temperatura de 25 grade C cu o toleranță de ± 5%.
- Valoarea lui B, care este o constantă de material dată în Kelvin (2 000 – 6 000 K) cu o toleranță de 5-10%. De fapt, «B» determină panta caracteristicii rezistență-temperatură. Coeficientul de temperatură «α» exprimă variația rezistenței de 1 ohm la o variație a temperaturii de 1 grad C.
- Raportul «RT/R25» este un număr fără dimensiuni. Cu acest raport se poate găsi rezistența termistorului pentru o temperatură oarecare.
- Puterea disipată maximă indică puterea maximă la care poate funcționa un termistor.
- Constanta de timp termică reprezintă timpul necesar unui termistor pentru a se răci de la 100 grade C la 37 grade C peste temperatura mediului ambiant, care depinde de: suprafața de răcire a termistorului, modul de fixare, temperatura și natura mediului ambiant, posibilitățile de circulație a aerului în jurul termistorului. Gama constantelor de timp variază de la 0,5 secunde la 1 minut, în funcție de tipul termistorului.
- Factorul de disipatie termică δ (delta) reprezintă puterea maximă necesară pentru ca temperatura termistorului să crească cu 1 grad C la o temperatură de 25 grade C a mediului ambiant și se măsoară în mW / grad C.
Pentru a putea calcula temperatura la care se încălzește un termistor la o anumită putere, dăm mai jos un exemplu de calcul:
Avem un termistor cu δ = 5 mW / grad C la 25 grade C, care va funcționa la o putere de 200 mW. Creșterea de temperatură va fi 200 / 5 = 40 grade C; temperatura totală la care se încălzește termistorul este: 40 grade C + 25 grade C = 65 grade C (s-a adăugat temperatura mediului ambiant de 25 grade C).
Avem un termistor cu δ = 5 mW / grad C la 25 grade C, care va funcționa la o putere de 200 mW. Creșterea de temperatură va fi 200 / 5 = 40 grade C; temperatura totală la care se încălzește termistorul este: 40 grade C + 25 grade C = 65 grade C (s-a adăugat temperatura mediului ambiant de 25 grade C).
- Sensibilitatea «S». Acest parametru este inversul factorului de disipatie și se măsoară în grade C / mW. De fapt, aceasta este creșterea temperaturii în grade C la puterea de 1 mW.
Termistoarele, din punct de vedere constructiv, au mai multe forme, în funcție de necesități și în funcție de rezistența lor. În fig. 4 sunt date mai multe tipuri de termistoare de construcție românească fabricate la Institutul de tehnologia materialelor de pe Platforma Măgurele-București.
Forma constructivă depinde de modul de prindere, de suprafața de disipatie a căldurii etc.
Pentru utilizarea termistorului în scheme practice este necesar ca termistoarele să răspundă la cerințele impuse, și anume alegerea formei constructive adecvate termistorului; valoarea rezistenței termistorului și coeficientul de temperatură; la ce putere disipată trebuie să reziste; ce constantă de timp este necesară.
Dacă nu găsim un termistor care să răspundă nevoilor, atunci se pun în paralel și serie cu rezistoare.
Cel mai des, termistorul este folosit ca traductor de temperatură ce poate fi măsurată cu o precizie de 0,5%. În fig. 5 este dat un termometru electronic în punte cu termistor. Dacă se schimbă rezistența termistorului, puntea se dezechilibrează. În funcție de dezechilibrare, se etalonează instrumentul direct în grade C. Termometrul are stabilitate, deoarece la locul unde se măsoară temperatura se duce numai termistorul.
În fig. 6 este dat un oscilator RC de bandă largă cu o punte Wien și un termistor. Termistorul RT servește, în special, pentru stabilizarea amplitudinii și frecvenței la variația temperaturii mediului ambiant. Prin variația rezistenței termistorul modifică în mod adecvat reacția negativă. Aceasta este o aplicație foarte importantă, mai ales că se poate folosi și ca termometru, urmărind variația frecvenței în funcție de temperatură.
Explicație de funcționare
Articolul detaliază modul în care funcționează termistoarele, componente semiconductoare rezistive a căror valoare ohmică este dictată direct de temperatură.
- Tipuri principale (NTC și PTC): NTC (Negative Temperature Coefficient) își scade rezistența pe măsură ce se încălzește, în timp ce PTC (Positive Temperature Coefficient) își mărește rezistența odată cu creșterea temperaturii.
- Auto-încălzirea (Efectul Joule): La curent mic, termistorul măsoară pur și simplu temperatura din exterior (mediul ambiant). Dacă este parcurs de un curent suficient de mare, energia electrică se transformă în căldură (efect Joule), iar piesa se auto-încălzește. În cazul NTC, auto-încălzirea declanșează o avalanșă: rezistența scade, curentul crește și mai mult, creând o zonă de „rezistență negativă” utilizată în circuitele de temporizare sau protecție la pornire.
- Măsurarea în punte (Termometre): Pentru a citi temperatura, termistorul este plasat într-o punte echilibrată (punte Wheatstone). La echilibru, instrumentul arată zero. Când temperatura se schimbă, rezistența termistorului se modifică, puntea se dezechilibrează, iar curentul rezultat deviază acul aparatului, care poate fi etalonat direct în grade Celsius.
- Stabilizarea în oscilatoare: În oscilatoarele cu punte Wien, un termistor plasat în bucla de reacție negativă monitorizează nivelul semnalului de ieșire. Dacă amplitudinea crește, curentul prin termistor îl încălzește, ajustându-i rezistența pentru a readuce câștigul amplificatorului la valoarea ideală, eliminând distorsiunile.
Piese echivalente moderne
Termistoarele istorice românești produse la I.T.M. Măgurele (în capsule de tip perlă, disc sau baghetă) au fost înlocuite în totalitate de componente moderne cu toleranțe mult mai stricte și stabilitate ridicată:
- Termistoare NTC standard: Astăzi, cel mai popular standard industrial este seria NTC 10k (cu valoarea de 10 kΩ la 25 grade C) sau NTC 4.7k, având o curbă de material B standardizată (uzual B = 3950 K). Se găsesc sub formă de perle epoxidice miniaturale, discuri sau încapsulate în sonde metalice impermeabile din inox.
- Termistoare NTC de putere (Limitatoare de curent): Pentru aplicațiile de protecție la pornirea surselor (unde se folosește auto-încălzirea pentru a limita șocul inițial de curent), se folosesc componente moderne din seria NTC 5D sau 10D (cum ar fi NTC 5D-9 sau NTC 10D-11), capabile să suporte curenți de ordinul amperilor.
- Înlocuitori moderni digitali (Senzori de temperatură): Deși termistoarele analogice în punte sunt încă folosite, în termometrele moderne ele au fost înlocuite pe scară largă de senzori integrați mult mai preciși, care elimină necesitatea calibrării manuale a punților:
- LM35 / TMP36: Senzori analogici liniari care scot direct o tensiune proporțională cu temperatura (10 mV pentru fiecare grad Celsius).
- DS18B20: Senzor digital pe magistrală 1-Wire, extrem de precis, care transmite temperatura direct sub formă de cod digital către un microcontroler (ex. Arduino), fiind imun la zgomotele de fond de pe cablu
