CURSRezistoare neliniare

Rezistoare dependente de temperatura-termistoare

Termistoare PTC ceramice

Introducere, principiu de realizareTermistoarele PTC sunt rezistoare dependente de temperatură (neliniare) ce prezintă un coeficient de variaţie cu temperatura T pozitiv şi foarte mare într-un domeniu relativ îngust de temperatură aflat între două temperaturi Tc şi T’. Astfel, pe un interval de zeci de grade, rezistenţa electrică suferă o creştere cu câteva ordine de mărime. Caracteristica termică a termistoarelor ceramice realizate pe bază de titanat de bariu BaTiO3 este prezentată in figură.

TbTc Tm T’TM

http://www.vishay.com/thermistors/ptc/

Caracteristica curent - tensiune I=f(U) a termistoarelor PTC

La tensiuni mici şi implicit curenţi mici forma caracteristicii este liniară. Odată cu creşterea puterii disipate în termistor are loc şi creşterea temperaturii proprii şi, odată cu depăşirea temperaturii de basculare are loc creşterea puternică a rezistenţei, curentul depăşind punctul de maxim al caracteristicii (Ib). Curentul prin termistor scade până la valoarea Ir. De la acest punct creşterea tensiunii nu mai are practic nici un efect asupra curentului prin termistor datorită valorii mari a rezistenţei acestuia. La atingerea tensiunii Ud este posibilă străpungerea termistorului, concretizată prin creşterea puternică a curentului, fenomen ce duce la distrugerea termistorului.

Ub UdUf

UIr

Ib

I

UN

Principiul de realizare a termistoarelor cu coeficient de temperatură pozitiv - PTC ceramice se bazează pe observaţia că titanatul de bariu dopat şi sinterizat la 1000 ... 1400 ºC în atmosferă de oxigen are un coeficient de temperatură pozitiv (+20 %/ºC) şi o rezistivitate mult mai mică decât în cazul în care nu este dopat. Ca elemente de impurificare se pot utiliza ioni trivalenţi La3+, Bi3+, Y3+ care substituie în structura cristalină ionii Ba2+ , sau ioni pentavalenţi Sb5+, Nb5+ care înlocuiesc în structura cristalină ionii Ti4+. Dacă are loc sinterizarea în absenţa oxigenului, materialul obţinut se comportă ca un semiconductor extrinsec normal, având un coeficient negativ de temperatură. Creşterea rezistenţei cu temperatura este cauzată de pătrunderea atomilor de oxigen prin porii materialului sau printre cristalite în faza de răcire a procesului de sinterizare. Atomii de oxigen sunt absorbiţi la suprafaţa cristalitelor semiconductoare (tip n) şi atrag electroni dintr-un strat superficial al cristalitelor semiconductoare. În acest fel se creează o barieră de potenţial generată de sarcina spaţială negativă şi de cea pozitivă, barieră care apare prin aglomerarea electronilor către suprafaţa cristalitelor.

Rc Rb

Cb

Re(ZT)

f =0

T

f = 1KHz

f = 10KHz

Comportarea termistorului PTC cu frecvenţa: Schema echivalentă şi efectul creşterii frecvenţei

Ub1 Ud2Uf1

UIr1

Ib1

I

Ta1 Ta2

Ta1 > Ta2

Ir2

Ib2

Ub2 Ud1Uf2

Influenţa temperaturii ambiante asupra caracteristicii I(U)

0

IR1

R2

R3

R1<R2<R3

U

Influenţa rezistenţei iniţiale R25asupra caracteristicii I(U)

Influenţa coeficientului de disipaţie termică asupra caracteristicii curent-tensiune a termistoarelor PTC.

lgPd

T1 T2 Tc

A1

A2

TM

Dependenţa puterii generate în termistor Pd de temperatura termistorului.

Parametrii principali ai termistoarelor PTC sunt, relativ similari cu cei ai termistoarelor NTC:

a) Rezistenţa nominală - se precizează de regulă la 25ºC. Pentru componentele uzuale este cuprinsă între 10Ω şi 500Ω. Suplimentar, se mai poate preciza şi valoarea rezistenţei la o altă temperatură, în zona superioară a caracteristicii.

b) Temperatura de basculare Tb este definită ca fiind temperatura ce corespunde porţiunii crescătoare a caracteristicii, la care rezistenţa termistorului atinge dublul valorii minime Rm. Temperatura de basculare este legată de temperatura Curie a materialului din care este realizat termistorul şi pentru componentele uzuale se situează între +6ºC şi +150ºC.

c) Coeficientul de temperatură - se calculează pornind de la definiţie

Pentru porţiunea caracteristicii în care R >> A se obţine B. Coeficientul de temperatură poate avea valori foarte mari ce ajung până la 75 %/ºC. El este de regulă precizat la temperatura corespunzătoare inflexiunii porţiunii crescătoare a caracteristicii R(T).

d) Tensiunea nominală (maximă) UN - este tensiunea maximă care se poate aplica la bornele termistorului, la o temperatură precizată a mediului

ambiant. Pentru termistoarele PTC specificarea tensiunii nominale înlocuieşte specificarea puterii nominale. Acest lucru este justificat prin scăderea asimptotică a curentului la valori mari ale tensiunii spre o valoare aproximativ constantă, puterea disipată fiind proporţională numai cu tensiunea în acest caz.

)TBexp(CA)TBexp(BC

dTdR

R1

⋅+⋅

==α

e) Intervalul temperaturilor de lucru, [Tm, TM] este domeniul temperaturilor ambiante la care termistorul poate funcţiona la tensiunea UN.

f) Coeficientul de disipaţie termică D se defineşte în mod cu totul asemănător ca la termistoarele NTC .

g) Constanta de timp termică τth. se defineşte în mod asemănător ca la termistoarele NTC .

Aplicaţiile termistoarelor PTC

Aplicaţiile termistoarelor PTC sunt foarte numeroase, câteva dintre ele fiind următoarele: protecţia împotriva supracurenţilor şi a supratemperaturii, indicatoare de nivel, circuit de demagnetizare pentru tuburile cinescop color, termos-tate cu valori fixe ale temperaturii, relee de temporizare, măsurători de temperatură şi mai rar compensarea variaţiei cu temperatura a altor elemente de circuit.

Cele prezentate pentru termistoarele NTC se pot aplica şi în cazul termistoarelor PTC, o clasificare unitară a aplicaţiilor fiind destul de dificil de realizat. Pentru unitatea prezentării vom utiliza aceeaşi clasificare şi vom împărţi aplicaţiile după regimul de lucru al termistoarelor PTC, în regim de încălzire indirectă şi în regim de încălzire directă.

Utilizarea termistoarelor PTC în regim de încălzire indirectă

Măsurarea temperaturiiTermistoarele PTC pot fi utilizate la măsurarea temperaturii pentru un domeniu ce corespunde porţiunii crescătoare a caracteristicii R(T). Se poate utiliza schema de conectare în punte prezentată la termistoareleNTC. În prezent producătorii nu realizează termistoare PTC optimizate pentru această aplicaţie, care este foarte rar utilizată. Sensibilitatea foarte mare a termistoarelor PTC face dificilă realizarea unor caracteristici termice precis determinate. Şi în cazul utilizării PTC-urilor este necesară etalonarea scalei, caracteristica termică fiind neliniară.

Aplicaţii de tip sesizarea temperaturii, avertizare şi protecţie

Un termistor PTC acţionează asemănător unui termostat realizând “comutarea de la o rezistenţă mică la una mare” la o temperatură bine precizată – cea de basculare. Principiul de funcţionare în astfel de aplicaţii este următorul: termistorul se montează în contact termic cu echipamentul care se doreşte să fie protejat. La o temperatură normală rezistenţa termistorului RT este scăzută. Dacă apare o supratemperatură rezistenţa termistorului depăşeşte brusc valoarea Rb, acest fapt fiind utilizat în mod concret de schema sau de montajul respectiv.

+

-

+V

GND

R1

R2

Rb R3

Ro

Vo

RT +θ

Vo

RT<Rb

RT > Rb

Tb T

Circuit de sesizare a depăşirii temperaturii

La temperaturi T<Tb rezistenţa termistorului este RT<Rb, tensiunea la ieşirea comparatorului fiind scăzută. După ce RT a devenit mai mare ca Rb are loc comutarea comparatorului, tensiunea Vo având o valoare ridicată, care poate comanda un circuit de avertizare.

R T1

+θ R T2

+θ RT3

+θ

~220V

Ua≅4V

K

30° 60 ° 90 °

UC

Rp

T1

RL

25Ω

AT

R

RTfi

RT1 RT2 RT3

Tb1 Tb2 Tb3 TN3(90°C)

TN2

(60°C)TN1(30°C)

θ(°C)

Utilizarea termistoarelor PTC la reglarea temperaturii: circuitul electronic şi caracteristicile R(θ0C)

Rolul termistoarelor este de a sesiza creşterea temperaturii şi a comanda blocarea triacului, la o anumită temperatură. Se observă că Ua este tensiunea de alimentare a circuitului de comandă şi este generată de autotransformatorul AT. Cât timp temperatura este mică, valoarea rezistenţei termistorului este şi ea coborâtă asigurând o valoare Uc>Up. La atingerea temperaturii de basculare Tbi, rezistenţa termistorului creşte semnificativ, conducând la blocarea triacului. Astfel, se întrerupe alimentarea rezistenţei de sarcină şi generarea de căldură încetează. După un timp, temperatura termistoarelor va scădea şi triacul va intra din nou în conducţie.

Utilizarea termistoarelor PTC în regim de încălzire directă

Curentul de comutare ("trip current") Ic este definit ca fiind curentul minim garantat care produce bascularea termistoarelor şi poate fi calculat cu:

( )[ ]ε+−⋅= ab2c TTDRI

unde R este rezistenţa termistoarelor la Tb iar ε (ºC) este o margine de siguranţă datorată abaterilor în definirea valorilor Tb şi Ta.Valori uzuale pentru curentul de comutare se găsesc în intervalul 17mA-3A, depinzând de termistor.

Curentul de non – comutare Inc ("non-trip current" sau "hold current") este definit ca fiind curentul maxim garantat la care termistorul nu basculează (comută). Se defineşte prin:

Valorile pot fi în intervalul 5-700mA, depinzând de termistor.

( )[ ]ε−−= ab2nc TTDRI

UA

U A/RS M1

M3PTC

B

0

U

I

M3'

UA’

RS

UA’/RS

RS

UA'>UA

Protecţia la supratensiune, cauzată de creşterea tensiunii de alimentare

La creşterea tensiunii de alimentare de la UA la UA, dreapta de sarcină se deplasează deasupra punctului de maxim al caracteristici I(U) a termistorului (punctul B) şi astfel punctul de funcţionare se stabileşte din M1 în M3', termistorul preluând cea mai mare parte a căderii de tensiune, protejând sarcina.

UA

RT

+t°Load RS

UA

UA/RS M1

M3

Ta

B

0 U

I

M3′

B′

Ta′

Ta′ > Ta

Realizarea protecţiei la supratemperatură

Protecţia este realizată prin montarea termistorului în contact termic bun cu sarcina, care se poate supraîncălzi. Aici au fost utilizate curbele prezentate anterior care descriu modificarea caracteristicii I(U) în funcţie de temperatura ambiantă. Datorită creşterii temperaturii ambiante (Ta) termistorul are nevoie de mai puţină energie pentru a bascula (punctul B). În acest fel caracteristica termistorului coboară sub dreapta de sarcină, punctul de funcţionare stabilindu-se în M3 şi realizând protecţia sarcinii.

UA

RT

+t°Load RS

UA

UA/RS M1

M3'

RS

B

0

U

I

RS'

M3

RS' < Rs

Realizarea protecţiei la suprasarcină (supracurent)

Un supracurent poate apărea ca urmare a unei scăderi a valorii rezistenţei de sarcină, cauzată de exemplu de un scurtcircuit al înfăşurărilor unui motor electric.Prin reducerea valorii rezistenţei de sarcină la RS dreapta de sarcină se situează deasupra caracteristicii electrice a termistorului, protecţia realizându-se prin stabilirea punctului de funcţionare în M3, aşa cum a fost prezentat anterior.

UA

RT

+t°Load RS

Ua′

UA/RS

M1′′

M3′

RS

PTC

B

0

U

I

UA′/R

S

Ua′′

UA′′ < UA

′

UA

UA/RS

M3

RS

B

0

U

I

M1′

RS′>R

“Resetarea” termistorului PTC: prin reducerea tensiunii de alimentare şi prin creşterea rezistenţei de sarcină

Demagnetizarea tuburilor cinescop color

Tuburile cinescop color au din construcţie în spatele ecranului o mască perforată, care este realizată de obicei din metale care se pot magnetiza foarte uşor (materiale magnetice moi). Magnetizarea măştii perforate poate fi produsă de câmpuri magnetice externe cum ar fi magneţii permanenţi ai difuzoarelor, bobine, electromagneţi sau chiar de câmpul magnetic terestru. Ca urmare a magnetizării măştii perforate, calitatea imaginii se înrăutăţeşte, culorile nemaifiind pure sau având loc irizaţii de culoare. Din acest motiv toate receptoarele de televiziune sau monitoarele color sunt prevăzute cu o bobină de demagnetizare plasată în jurul tubului cinescop. Principiul de demagnetizare ("degaussing" - în engleză) constă în supunerea măştii perforate la un câmp magnetic având iniţial o amplitudine mare, dar descrescătoare în timp. Ca urmare, materialul din care este realizată masca parcurge cicluri de histerezis cu ampli-tudine descrescătoare, iar magnetizarea remanentă este adusă la o valoare convenabil de scăzută.

PTC

+t°

220V~

Bobina de demagnetizare

Principiul realizării demagnetizării

Circuit de demagnetizare cu un singur termistor

Evoluţia în timp a curentului de demagnetizare

RT2

+t

220V~

RT1

+t

R

K

Ld

Cele două termistoare se află în serie cu bobina de demagnetizare Ld. După un anumit timp de la conectare, termistorul RT1 preia rolul unui rezistor de încălzire pentru termistorul RT2. Rezistorul R asigură pentru RT1 un curent care îl menţine la o temperatură ridicată. Cele două termistoare sunt realizate în aceeaşi unitate constructivă, în aşa fel încât între ele să existe un cuplaj termic bun.

Circuite de demagnetizare cu două termistoare

RT2

+t

220V~

K

Ld

RT1 +t°

La montajul din figură este eliminat rezistorul auxiliar R, funcţionarea circuitului fiind similară. În grafic se observă că, în lipsa lui RT1 valoarea rezistenţei lui RT2corespunde punctului M1 iar în prezenţa lui RT1 punctului M2, asigurând astfel un curent mai mic prin circuit. De asemenea, se observă că cele două termistoare au caracteristici diferite.

R(log)

RT1

T1 T2 T

RT2

M2

M1

Termistoare PTC pentru pornirea motoarelor electrice

∼ PTC

+t°

220V c.a.

Înfăşurarea principală Înfăşurarea de pornire

a motorului

Aceste termistoare sunt utilizate în conexiune serie cu înfăşurarea de pornire a motoarelor electrice. La pornirea motoarelor (de exemplu motoare de frigider sau motoare ale instalaţiilor de aer condiţionat) curentul necesar în înfăşurarea auxiliară de pornire este relativ mare, după pornire acest curent nemaifiind necesar. Termistorul PTC poate cu succes să îndeplinească aceste cerinţe, adică să asigure la pornire un curent important, iar după pornire să scoată practic din circuit înfăşurarea auxiliară.

Indicatoare de nivel

+t°

U

+t°

+t°

+t°

AUtilizarea termistoarelor PTC în circuite de sesizare (indicare) a nivelului fluidelor se bazează pe acelaşi principiu prezentat la aplicaţiile similare cu termistoarele NTC şi anume pe faptul că în lichid coeficientul de disipaţie al termistoarelor este mai mare ca în aer. În cazul termistoarelor PTC, curentul de funcţionare care se stabileşte prin termistor este mai mare atunci când termistorul este imersat în lichid faţă de situaţia când disipă în aer. În mod echivalent, rezistenţa termistorului imersat în lichid este mai mică.Această soluţie constructivă este întâlnită la unele automobile şi prezintă avantajul faţă de soluţia clasică cu plutitor că nu conţine elemente mecanice în mişcare, având astfel o fiabilitate superioară.

Termistoare PTC polimerice

O categorie de termistoare PTC apărută în ultimii ani este clasa termistoarelorPTC polimerice. Aceste termistoare sunt realizate pe bază de polimeri conductori şi prezintă caracteristici similare termistoarelor ceramice. Principala aplicaţie a acestor termistoare o constituie protecţia circuitelor la suprasolicitări, termistoarele acţionând ca nişte siguranţe ''resetabile" limitând curenţii de valori mari la fel ca siguranţele tradiţionale, fuzibile, dar revenind la starea iniţială după îndepărtarea cauzei care a provocat creşterea curentului sau după ce alimentarea circuitului a fost întreruptă.

Un material PTC de tip polimeric constă dintr-o reţea de polimer organic cristalin în care se găsesc dispersate particule conductoare, de obicei carbon negru. Creşterea rezistenţei este explicată pe baza unei schimbări de fază în material. La temperaturi reduse, materialul este cu precădere cristalin, cu particulele conductoare aglomerate la regiunile dintre cristalitele polimerice. Dacă procentul de particule conductoare în polimer este coborât materialul rezultat nu conduce curentul.

Dacă procentul de particule conductoare este crescut peste un anumit nivel numit pragul de infiltrare (percolation treshold-engl.), particulele conductive ajung aproape în contact, formând o reţea conductivă tridimensională. Conducţia între particule se realizează prin efect tunel.

T3 T4 T2 T1

R1 R2

R3

R4

T

R 4

2 31

Caracteristica termică R(T) a termistoarelor PTC polimerice

Termorezistoare

Termorezistoarele sunt rezistoare utilizate în aplicaţii de măsurare a temperaturii. Alături de termistoarele PTC ceramice şi de cele bazate pe polimeri termorezistoarele prezintă o caracteristică rezistenţă-temperatură cu coeficient de temperatură pozitiv. Termorezistoarele sunt elementele rezistive realizate pe bază de conductoare metalice. Aceste componente au rezistenţa dependentă de temperatură, dependenţă datorată proprietăţilor intrinseci ale materialului din care sunt realizate. Ele sunt cunoscute sub numele de elemente RTD (Resistance Temperature Detectors) fiind numite de cele mai multe ori detectoare (sau senzori) de temperatură.

Se utilizează astăzi la realizarea termorezistoarelor (RTD) materiale ca: platina, nichelul, aliajul fier-nichel, cuprul şi wolframul.

Cele mai utilizate elemente RTD sunt cele pe bază de platină, denumirea generică a acestora fiind foarte sugestivă, de exemplu PT100 reprezintă elementul RTD pe bază de platină cu rezistenţa la 0 ºC de 100Ω. Coeficientul de temperatură al elementelor RTD din platină cu fir metalic este de circa +3850 ppm/ºC, temperatura maximă de lucru fiind de peste 1000 ºC. Variaţia rezistenţei unui element RTD cu temperatura este liniară pe un domeniu larg de valori ale temperaturii.

Wolframul are o rezistivitate ridicată, dar se utilizează numai pentru temperaturi foarte înalte fiind foarte casant şi greu de prelucrat.

Cuprul este utilizat, cu dezavantajul unei rezistivităţi mici şi a unei temperaturi de utilizare de maxim 120 ºC, dar cu avantajul unui preţ mai mic.

Construcţia termorezistoarelor (RTD): cu fir metalic şi cu folie.

Termorezistoarele sunt utilizate în configuraţii tip punte şi pot realiza măsurători foarte precise dacă se iau precauţii pentru a lua în considerare rezistenţa proprie a terminalelor şi conductoarelor de legătură şi dacă se ţine seama de încălzirea proprie a lor.