Nel campo dell'ingegneria elettronica, la misurazione e il controllo della temperatura sono di fondamentale importanza. I termistori a coefficiente di temperatura negativo (NTC), in quanto dispositivi di rilevamento della temperatura compatti ed efficienti, stanno svolgendo un ruolo sempre più critico. Ma come fanno esattamente i termistori NTC a rilevare la temperatura? Quali caratteristiche prestazionali uniche possiedono? E come dovrebbero gli ingegneri selezionare e ottimizzare i termistori NTC per soddisfare le diverse esigenze applicative? Questo articolo fornisce un'analisi approfondita della tecnologia dei termistori NTC, delle caratteristiche chiave e delle considerazioni pratiche, offrendo una guida tecnica completa per ingegneri e ricercatori.

1. Termistori NTC: il cuore del rilevamento della temperatura

I termistori NTC sono resistori a semiconduttore specializzati la cui caratteristica distintiva è una significativa diminuzione della resistenza all'aumentare della temperatura. Questa sensibilità unica alla temperatura deriva dalla loro composizione materiale e dai meccanismi fisici. Tipicamente fabbricati con materiali ceramici semiconduttori policristallini con una struttura a spinello, i termistori NTC sono costituiti principalmente da ossidi metallici come manganese, nichel, cobalto, ferro e rame.

A differenza dei conduttori metallici convenzionali in cui la resistenza elettrica deriva dalle vibrazioni atomiche che impediscono il movimento degli elettroni liberi, i termistori NTC operano su un meccanismo di "conduzione a salto" che coinvolge elettroni liberi e coppie di lacune. All'aumentare della temperatura, la concentrazione di questi portatori di carica aumenta all'interno del materiale, migliorando il flusso di carica e di conseguenza riducendo la resistenza. Questo meccanismo di conduzione può essere spiegato attraverso la teoria delle bande, che rivela la relazione intrinseca tra la struttura elettronica di un materiale e le sue proprietà conduttive.

Controllando con precisione la composizione del materiale e i processi di fabbricazione, gli ingegneri possono mettere a punto le caratteristiche di temperatura dei termistori NTC per soddisfare specifici requisiti applicativi.

2. Caratteristiche chiave dei termistori NTC

La variazione di resistenza nei termistori NTC è influenzata sia dalla temperatura ambiente che dagli effetti di auto-riscaldamento. La temperatura ambiente si riferisce a tutte le fonti di calore esterne, mentre l'auto-riscaldamento deriva dal riscaldamento Joule quando la corrente attraversa il termistore. L'analisi delle caratteristiche dei termistori NTC distingue tipicamente tra condizioni "senza carico" e "con carico".

2.1 Caratteristiche dei termistori NTC senza carico

In condizioni senza carico in cui l'auto-riscaldamento è trascurabile, il comportamento del termistore NTC è determinato principalmente dalle proprietà del materiale e dalla temperatura ambiente.

2.1.1 Caratteristiche resistenza-temperatura (R/T)

La relazione tra la resistenza di un termistore NTC e la temperatura assoluta può essere approssimata da una funzione esponenziale:

Dove:

• R ₁ : Resistenza (Ω) alla temperatura T ₁ (K)
• R ₂ : Resistenza di riferimento (Ω) alla temperatura T ₂ (K)
• B: Costante del materiale (K)

Sebbene questa equazione fornisca un'approssimazione matematica, le applicazioni pratiche utilizzano tipicamente tabelle R/T complete che specificano valori di resistenza precisi sull'intero intervallo di temperature operative, offrendo una maggiore precisione rispetto alla formula semplificata.

2.1.2 Valore B

Il valore B è un parametro cruciale che rappresenta la pendenza della curva resistenza-temperatura, indicando quanto la resistenza è sensibile alle variazioni di temperatura. Determinato dal materiale del termistore, viene calcolato come:

Poiché il modello esponenziale è un'approssimazione, il valore B non è perfettamente costante, ma varia leggermente tra gli intervalli di temperatura. La notazione standard come B _25/85 specifica l'intervallo di temperatura (da 25°C a 85°C in questo caso) per il quale viene calcolato il valore B.

I materiali NTC comuni hanno valori B che in genere vanno da 3000K a 5000K. La selezione dipende dai requisiti applicativi e comporta il bilanciamento della resistenza nominale con altri vincoli, poiché non tutti i valori B sono adatti a ogni tipo di confezione NTC.

2.1.3 Coefficiente di temperatura

Il coefficiente di temperatura (α) definisce il tasso relativo di variazione della resistenza con la temperatura:

Questo coefficiente è tipicamente negativo, riflettendo il comportamento NTC. La sua grandezza influisce direttamente sulla sensibilità della misurazione della temperatura—coefficienti più alti indicano una maggiore reattività alle variazioni di temperatura.

2.1.4 Tolleranza

La tolleranza specifica la deviazione consentita dai valori di resistenza nominali, solitamente riferita a 25°C (sebbene possano essere specificate altre temperature). La tolleranza di resistenza complessiva a una data temperatura considera sia la tolleranza della resistenza di riferimento che la variazione del valore B.

La tolleranza di temperatura può essere derivata come:

Per misurazioni precise, si consigliano tabelle R/T standardizzate rispetto a calcoli semplificati.

2.2 Caratteristiche del carico elettrico

2.2.1 Costante di dissipazione termica (δ _th )

Quando la corrente scorre attraverso il termistore, il riscaldamento Joule provoca un auto-riscaldamento descritto da:

Quindi:

Espresso in mW/K, δ _th indica la potenza necessaria per aumentare la temperatura del termistore di 1K. Valori più alti significano una migliore dissipazione del calore nell'ambiente. Si noti che le caratteristiche termiche pubblicate presuppongono tipicamente condizioni di aria ferma—ambienti diversi o lavorazioni successive alla produzione possono alterare questi valori.

2.2.2 Caratteristiche tensione/corrente

A potenza elettrica costante, la temperatura del termistore aumenta bruscamente inizialmente prima di stabilizzarsi quando la dissipazione di potenza bilancia la generazione di calore. La relazione tensione-corrente in equilibrio termico è:

oppure

Tracciare la tensione rispetto alla corrente a temperatura costante rivela quattro regioni caratteristiche:

1. Regione lineare con auto-riscaldamento trascurabile (applicazioni di rilevamento della temperatura)
2. Aumento non lineare alla tensione massima
3. Punto di tensione di picco
4. Regione di resistenza negativa (utilizzata in applicazioni di limitazione della corrente o di rilevamento del livello del liquido)

2.2.3 Potenza massima (P ₂₅ )

P ₂₅ rappresenta la potenza massima che il termistore può gestire a 25°C in aria ferma. Il funzionamento a questo livello posiziona il dispositivo nella regione di auto-riscaldamento, che dovrebbe generalmente essere evitata a meno che non sia specificamente richiesto dall'applicazione.

2.2.4 Costante di tempo termico (τ)

Quando un sensore di temperatura a T ₁ viene posizionato in un ambiente a T ₂ , la sua temperatura cambia esponenzialmente:

La costante di tempo τ (Tau 63.2) è definita come il tempo necessario affinché si verifichino il 63,2% della variazione totale di temperatura. Questo parametro dipende in modo significativo da:

• Progettazione del sensore (materiali, assemblaggio)
• Metodo di installazione (montaggio superficiale, immersione)
• Ambiente (flusso d'aria, liquido)