Immagina che il motore della tua auto regoli automaticamente l'iniezione di carburante per garantire partenze fluide nelle gelide mattine invernali, o che il tuo smartphone attenui in modo intelligente lo schermo per evitare il surriscaldamento durante le torride giornate estive. Queste funzionalità apparentemente banali si basano su un componente elettronico fondamentale: il termistore NTC. Agendo come un guardiano invisibile, svolge un ruolo vitale nel rilevamento della temperatura e nella protezione dei circuiti.

NTC sta per "Negative Temperature Coefficient" (Coefficiente di Temperatura Negativo). Un termistore NTC è un resistore la cui resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura. Questa proprietà unica lo rende ideale per il rilevamento della temperatura e la limitazione della corrente. Rispetto ai sensori di temperatura al silicio e ai Resistance Temperature Detector (RTD), i termistori NTC offrono coefficienti di sensibilità alla temperatura da cinque a dieci volte superiori, consentendo risposte più rapide e precise alle variazioni di temperatura.

Tipicamente, i sensori NTC operano in un intervallo di temperatura da -55°C a +200°C. I primi resistori NTC hanno dovuto affrontare sfide a causa della loro relazione non lineare resistenza-temperatura, che complicava le misurazioni precise della temperatura nei circuiti analogici. Tuttavia, i progressi nei circuiti digitali hanno risolto questo problema attraverso tabelle di interpolazione o equazioni che approssimano le tipiche curve NTC.

A differenza degli RTD in metallo, i termistori NTC sono solitamente costruiti con ceramiche o polimeri. Materiali diversi conferiscono risposte termiche e caratteristiche di prestazione distinte.

• Risposta alla temperatura: La maggior parte dei termistori NTC è ottimizzata per temperature da -55°C a 200°C, fornendo le letture più accurate all'interno di questo intervallo. Varianti specializzate possono funzionare vicino allo zero assoluto (-273,15°C) o in ambienti che superano i 150°C.
• Sensibilità alla temperatura: Espressa come "% di variazione per °C" o "% di variazione per Kelvin", i sensori NTC in genere mostrano valori compresi tra -3% e -6%/°C, a seconda dei materiali e dei processi di fabbricazione.
• Confronto con altri sensori: I termistori NTC superano gli RTD al platino in termini di dimensioni, velocità di risposta, resistenza agli urti e costi. Sebbene leggermente meno precisi degli RTD, eguagliano le termocoppie in termini di precisione. Tuttavia, le termocoppie eccellono nelle applicazioni ad alta temperatura (fino a 600°C). A temperature più basse, i termistori NTC offrono sensibilità, stabilità e precisione superiori con un circuito aggiuntivo minimo.
• Effetto di autoriscaldamento: Il flusso di corrente attraverso un termistore NTC genera calore, influenzando l'accuratezza della misurazione. Questo effetto dipende dall'entità della corrente, dalle condizioni ambientali (liquido/gas, presenza di flusso), dal coefficiente di temperatura e dall'area superficiale. Questa proprietà viene spesso sfruttata nei rilevatori di presenza di liquidi come i sensori dei serbatoi.
• Capacità termica: Misurata in mJ/°C, la capacità termica indica l'energia necessaria per aumentare la temperatura di un termistore di 1°C. Questo parametro è fondamentale per le applicazioni di limitazione della corrente di spunto, in quanto determina la velocità di risposta.

La selezione di un termistore richiede la considerazione della costante di dissipazione, della costante di tempo termico, del valore di resistenza, della curva resistenza-temperatura e della tolleranza. A causa della relazione R-T altamente non lineare, i progetti di sistema pratici impiegano metodi di approssimazione.

• Approssimazione del primo ordine: Il metodo più semplice, ΔR = k · ΔT, dove k è il coefficiente di temperatura negativo. Efficace solo in intervalli di temperatura ristretti in cui k rimane quasi costante.
• Formula Beta: Fornisce una precisione di ±1°C tra 0°C e +100°C utilizzando una costante di materiale β: R(T) = R(T0) · e^(β(1/T - 1/T0)). Richiede una calibrazione a due punti, ma in genere mantiene una precisione di ±5°C nell'intervallo utile.
• Formula di Steinhart-Hart: Lo standard di riferimento dal 1968: 1/T = A + B · ln(R) + C · (ln(R))^3. I coefficienti (A, B, C) sono forniti nelle schede tecniche. Offre una precisione di ±0,15°C da -50°C a +150°C e fino a ±0,01°C negli intervalli da 0°C a +100°C.
• Scegliere l'approssimazione giusta: La selezione dipende dalle risorse di calcolo e dai requisiti di tolleranza. Alcune applicazioni sono sufficienti con approssimazioni del primo ordine, mentre altre possono richiedere una calibrazione completa con tabelle di ricerca.

I resistori NTC sono fabbricati utilizzando ossidi di platino, nichel, cobalto, ferro e silicio, in forme elementari pure, ceramiche o polimeriche. I metodi di produzione li classificano in tre categorie:

• Termistori a perla: Conduttori in lega di platino sinterizzati direttamente in corpi ceramici. Offrono tempi di risposta più rapidi, migliore stabilità e temperature di esercizio più elevate rispetto ai tipi a disco/chip, ma sono più fragili. Spesso incapsulati in vetro per la protezione, con diametri compresi tra 0,075 e 5 mm.
• Termistori a disco e chip: Presentano contatti superficiali metallizzati. Dimensioni maggiori rallentano i tempi di risposta, ma migliorano le costanti di dissipazione, consentendo una maggiore gestione della corrente. I dischi sono pressati da polveri di ossido e sinterizzati; i chip sono realizzati tramite colata a nastro. Diametri tipici: 0,25–25 mm.
• Termistori NTC incapsulati in vetro: Sigillati ermeticamente in bulbi di vetro per applicazioni ad alta temperatura (>150°C) o PCB robusti. Migliorano la stabilità e la resistenza ambientale, con diametri di 0,4–10 mm.

I termistori NTC servono a diversi scopi, tra cui la misurazione della temperatura, il controllo, la compensazione, il rilevamento di liquidi, la limitazione della corrente e il monitoraggio automobilistico. Le applicazioni sono classificate in base alle proprietà elettriche sfruttate:

• Caratteristiche resistenza-temperatura: Utilizzate nella misurazione/controllo/compensazione della temperatura. Richiedono una corrente minima per evitare l'autoriscaldamento.
• Caratteristiche corrente-tempo: Applicate in ritardi temporali, limitazione della corrente di spunto e soppressione. Si basano sulla capacità termica e sulla costante di dissipazione, dove il riscaldamento indotto dalla corrente innesca modifiche al circuito.
• Caratteristiche tensione-corrente: Utilizza gli spostamenti del punto di funzionamento dovuti a variazioni ambientali/di circuito per la limitazione della corrente o la compensazione/misurazione della temperatura.