MISURE DI PROCESSO/PROCESS MEASUREMENTS FUNZIONAMENTO E BENEFICI DEI TERMISTORI/ HOW THERMISTORS WORK AND BENEFITS Alessandro Brunelli

FUNZIONAMENTO E BENEFICI DEI TERMISTORI

Un termistore è un resistore il cui valore di resistenza varia in maniera significativa con la temperatura. Il termine deriva dalla combinazione delle parole termico e resistore. Il principio di funzionamento si basa sulla dipendenza della resistenza del materiale dalla temperatura.

Alessandro Brunelli*

Un termistore è un elemento di rilevamento della temperatura composto da un materiale semiconduttore sinterizzato o ferroelettrico che, in risposta a una piccola variazione della temperatura, mostra un’elevata variazione resistiva. Generalmente, I termistori hanno coefficienti di temperatura negativi che provocano la diminuzione della resistenza del termistore all’aumentare della temperatura. I termistori vengono realizzati con un mix di metalli e materiali a base di ossido di metallo, per poi essere formati a seconda delle esigenze. I termistori sono ampiamente utilizzati come limitatori della corrente di spunto, sensori di temperatura e per la protezione di circuiti. Al contrario delle termoresistenze, la cui variazione resistiva è piuttosto lineare, i termistori hanno una variazione resistiva non lineare e riducono la propria resistenza all’aumento della temperatura.

A fronte di qualche svantaggio (bassa riproducibilità essendo leghe, ridotta intercambiabilità e perciò adatti a specifiche applicazioni, limitato campo di misura), i motivi per cui i termistori continuano a essere molto diffusi per misurare la temperatura sono la maggiore variazione resistiva per grado di temperatura (il che assicura sensibilità e risoluzione elevate), l’elevato livello di ripetibilità e stabilità, l’eccellente intercambiabilità, il basso tempo di risposta date le minuscole dimensioni inferiori alle termoresistenze, il basso costo.

Le tipologie, NTC e PTC

I termistori, ovvero i sensori solitamente a semiconduttori o a materiali ferroelettrici possono avere due tipi di coefficienti di temperatura

(a) Negativo e perciò chiamati NTC (Negative Thermal Coefficient): generalmente ottenuti mediante drogaggio di semiconduttori elementari (Ge, Si, ecc.): la figura mostra i rapporti di resistenza notevoli di vari NTC rispetto le termoresistenze RTD; perciò adoperati come sensori in modesti campi a limitate temperature. Fig.1 Relazioni funzionali in temperatura di NTC (b) Positivo e perciò chiamati PTC (Positive Thermal Coefficient): solitamente ottenuti mediante drogaggio di semiconduttori elementari come per gli

NTC, oppure quelli ottenuti mediante sinterizzazione di materiali ferroelettrici (Ba, Fe, Sr, Ti, ecc.): la figura mostra le variazioni repentine di resistenza di vari NTC in funzione della temperatura; perciò adoperati come rivelatori di stati di temperature (termostati). Fig.2 Relazioni funzionali in temperatura di PTC

Sistemi di misura dei termistori

I termistori a coefficiente di temperatura negativo NTC e positivo PTC dato il loro elevato valore di resistenza alla temperatura ambiente di riferimento (solitamente maggiore di 1000 ), possono essere collegati alla apparecchiatura di misura mediante la tecnica di collegamento a 2 fili, data la trascurabile resistenza dei fili di collegamento rispetto la resistenza del termistore in misura. Come predetto date le relazioni funzionali dei PTC vengono adoperati non come rilevazione di misure ma come rilevazione di stati di temperatura e quindi come termostati a bordo macchine (pompe, motori, ecc.). Mentre gli NTC avendo una grossa risoluzione rispetto le RTD trovano impiego sugli strumenti di misura per compensarne gli effetti dovuti alle variazioni della temperatura ambiente oppure per compensare il giunto di riferimento per le termocoppie e anche in applicazioni

cliniche (Tab.1).

Tab. 1 Caratteristiche dei termistori per applicazioni cliniche (ASTM E 879)

Keywords: PTC, NTC, RTD, semiconduttori, ASTM E 879

HOW THERMISTORS WORK AND BENEFITS

A thermistor is a resistor whose resistance value varies significantly with temperature. The term is derived from the combination of the words thermistor and resistor. The operating principle is based on the dependence of the material’s resistance on temperature.

Alessandro Brunelli

A thermistor is a temperature sensing element composed of a sintered or ferroelectric semiconductor material which, in response to a small temperature change, shows a high resistive variation. Generally, thermistors have negative temperature coefficients that cause the thermistor resistance to decrease as the temperature increases. Thermistors are made from a mix of metals and metal oxide based materials

Alessandro Brunelli

Esperto in Automazione, Strumentazione, Taratura e Sicurezza degli Impianti Industriali. Segretario CEI SC 65 B: Misura e Controllo dei Processi Industriali. alebrunelli767@gmail.com

and then formed as required. Thermistors are widely used as inrush current limiters, temperature sensors and for circuit protection. In contrast to resistance thermistors, whose resistive variation is quite linear, thermistors have a non-linear resistive variation and reduce their resistance to temperature rise. With some disadvantages (low reproducibility as alloys, reduced interchangeability and therefore suitable for specific applications, limited measuring range), the reasons why thermistors continue to be widely used to measure temperature are the higher resistive variation per degree of temperature (which ensures high sensitivity and resolution), the high level of repeatability and stability, excellent interchangeability, low response time due to the tiny size smaller than resistance thermometers, the low cost of the thermistor and the high temperature resistance.

NTC and PTC Thermistors, i.e. sensors usually made of semiconductors or ferroelectric materials can have two types of temperature coefficients

(a) Negative and therefore called NTC (Negative Thermal Coefficient): generally obtained by doping elementary semiconductors (Ge, Si, etc.): the figure (Fig.1) shows the remarkable resistance ratios of various NTCs compared to RTD resistance thermometers; therefore used as sensors in modest ranges at limited temperatures.

(b) Positive and therefore called PTC (Positive Thermal Coefficient): usually obtained by doping of elementary semiconductors as for NTCs, or those obtained by sintering ferroelectric materials (Ba, Fe, Sr, Ti, etc.): the figure (Fig.2) shows the sudden changes of resistance of various NTCs as a function of temperature; therefore used as temperature state detectors (thermostats).

Thermistor measuring systems NTC negative temperature coefficient thermistors and PTC positive temperature coefficient thermistors due to their high resistance value at the reference ambient temperature (usually greater than 1000 ), can be connected to the measuring equipment using the 2-wire connection technique, given the negligible resistance of the connecting wires compared to the resistance of the thermistor in measurement. As mentioned above, given the functional relations of the PTCs are used not as measurements but as temperature states detection and therefore as thermostats on board machines (pumps, motors, etc.). While NTCs, having a high resolution compared to RTDs, are used on measuring instruments to compensate the effects due to variations in ambient temperature or to compensate the reference junction for thermocouples and also in clinical applications (Tab.1). The Author Alessandro Brunelli Expert in Automation, Instrumentation, Calibration and Safety of Industrial Plants. CEI SC 65 B Secretary: Measurement and Control of Industrial Processes alebrunelli767@gmail.com

Keywords: PTC, NTC, RTD, semiconductors, ASTM E 879