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Termistor

Aplicação à disciplina: EE 317 - Controle e Automação Industrial Este artigo descreve os conceitos básicos sobre termistores.

Conteúdo

• 1 Introdução:.............................................................................................................
• 2 Operação básica:
• 3 Equação de Steinhart-Hart:....................................................................................
• 4 Parâmetro B (beta):.................................................................................................
• 5 Modelo levando em conta a condução elétrica:
• 6 O efeito do auto-aquecimento:................................................................................
• 7 O uso de termistores para medir o fluxo de ar ou líquidos:
• 8 O uso do NTC para aumentar o tempo de vida de lâmpadas de filamento............

2 Operação básica:

Uma aproximação linear pode ser usada para expressar a equação de um termistor, esta equação é mostrada abaixo:

 R  k . T Equação 1

Onde:

 R : Variação da resistência.

k : Coeficiente de temperatura

 T : Variação da temperatura.

Os tipos de termistores é função do sinal do coeficiente de temperatura: Se o coeficiente for positivo o termistor será do tipo PTC e a variação da resistência será positiva, aumentando com o aumento da temperatura, pó isso o "P", de positivo no PTC (Positivo Temperatura Controle)! Se o coeficiente for negativo o termistor será do tipo NTC e a variação da resistência será negativa, diminuindo com o aumento da temperatura, pó isso o "N", de positivo no NTC (Negativo Temperatura Controle)! Um resistor comum, que não é um termistor tem o valor do coeficiente de temperatura próximo do zero, o que significa que não varia com a temperatura!

3 Equação de Steinhart-Hart:

Na prática a equação acima só funciona para faixas pequenas de variação de temperatura, para faixas maiores de variação de temperatura a equação de Steinhart- Hart apresenta uma precisão maior, esta equação é apresentada abaixo!

.ln( ) .ln ( )

a b R c R

T

   Equação 2

Onde os valores de a, b e c devem especificados para cada dispositivo, "T" é a temperatura em graus Kelvin e R a resistência em Ohm. A equação abaixo mostra o valor da resistência de um termistor em função da temperatura!

  

R  e Equação 3

Onde;

2

^3^ 

c

b

c

T

a

O erro da equação de Steinhart-Hart é geralmente menor do que 0,02ºC. Valores típicos para um termistor de 3000 Ώ a temperatura ambiente (25ºC): 8 4 3

  

c x

b x

a x

Observe que o valor de c é muito pequeno e pode ser desprezado na maioria das aplicações.

O fabricante especifica o beta a partir da medição da relação R-T medidas em duas temperaturas diferentes!

ln(

T T

Rt

Rt

B

 Equação^10

Onde Rt1 é a resistência do termistor na temperatura T1 e Rt2 é a resistência do termistor na temperatura 2. A resistência dada em Ohm e a temperatura em Kelvin

5 Modelo levando em conta a condução elétrica:

Muitos termistores do tipo NTC são construídos com discos prensados ou fundidos de material semicondutor tais como óxidos metálicos. O funcionamento do termistor é baseado no fato de que se a temperatura aumenta o número de elétrons livres na estrutura também aumenta aumentando a condutividade do material, diminuindo a sua resistência, permitindo com que a corrente aumente! A equação abaixo mostra a relação entre a corrente e as características do semicondutor!

I  n. A. v. e Equação 11

Onde

I : Corrente em Ampére.

n : Densidade dos portadores de carga

A. Área da seção reta por onde os portadores irão cruzar.

v Velocidade de transporte dos portadores de carga

e Carga do elétron ( e  1 , 602 x 10 ^19 Coulomb)

Muitos termistores do tipo PTC são construídos para operarem com chaves, o que significa que a resistência troca subitamente quando alcança a temperatura de disparo. Este tipo de componente é construído com materiais a base de bário (BaTiO 3 ). A constante dielétrica destes materiais varia com a temperatura. Existem termistores do tipo PTC que são usados como fusível e são chamados de Semifuses, Multifuses ou ainda Polyswitch. Este tipo de componente deixa passar a corrente normalmente a baixas temperaturas, mas quando a temperatura alcança o valor de disparo o circuito é interrompido! Este tipo de componente é construído com uma tira de plástico embebido com grãos de carbono. Em baixa temperatura os graus estão bem unidos permitindo que a corrente flua livremente, com o aumento da corrente o plástico se expande e os grãos são separados cortando a corrente! Quando a temperatura cai o plástico retorna a sua posição inicial com os grãos unidos permitindo a passagem da corrente! Existem ainda termistores construídos totalmente com semicondutores a base de silício!

7 O uso de termistores para medir o fluxo de ar

ou líquidos:

Note que a corrente no circuito é função do fator de dissipação K, valores típicos estão na faixa de 6 mW/ºC, se o componente é colocado em um ambiente onde há um fluxo ,por exemplo de ar, isto irá dissipar mais calor alterando o valor da resistência do termistor, alterando a corrente no circuito. A corrente pode ser medida em um amperímetro calibrado para indicar o fluxo de ar ao redor do termistor. Quanto maior o fluxo, maior a corrente! Este é o princípio de alguns dos medidores de velocidade em aeronaves, a velocidade do ar é função da velocidade do avião, um tubo montado na parte frontal do avião com um termistor dentro capta o fluxo de ar resfriando o termistor, alterando a corrente no circuito e mostrando no painel de controle a velocidade do avião! Figura 3 : Usando termistor para medir a velocidade de um avião

8 O uso do NTC para aumentar o tempo de vida

de lâmpadas de filamento.

O termistor do tipo NTC pode ser usado para aumentar o tempo e vida de lâmpadas incandescente. A lâmpada incandescente queima normalmente ao ser ligada, pois, nesta condição com a temperatura ainda baixa a resistência interna da lâmpada é muito baixa, logo a corrente no circuito vai ser maior neste instante, após ligada a lâmpada aquece aumentando a resistência do filamento e estabilizando a corrente. O circuito abaixo um termistor do tipo NTC é colocado em série com a lâmpada. Quando a lâmpada é ligada o termistor está frio, assim a sua resistência é alta e a corrente no circuito é baixa, conforme a corrente vai circulando no termistor este começa a aquecer diminuindo o valor da resistência e aumentado a corrente na lâmpada, após algum tempo esta estará plenamente acesa e no circuito estará circulando a corrente nominal da lâmpada. Nestas aplicações o termistor poderá ser montado junto a lâmpada e a temperatura sobre este componente será função da temperatura da lâmpada tornando o circuito ainda mais eficiente! Figura 4 : NTC usado para aumentar a vida útil de uma lâmpada incandescente!

Resumo - Os termistores são excelentes sensores para

aplicações que seja necessário uma alta sensibilidade com

as mudanças de temperatura. As aplicações de termistores

estão mais voltadas à área média e na biologia.

Palavras chave – termistores e termoresistências, NTC e

PTC, variação da resistência.

I. INTRODUÇÃO

Os termistores fazem parte da classificação de

termoresistência. Termistores são sensores de temperatura

fabricados com materiais semicondutores.

II. CONSIDERAÇÕES

A resistência elétrica dos termistores pode variar tanto de

forma proporcional ou inversa com o aumento de temperatura

ao qual o sensor for exposto. Por essa característica é feita

uma classificação do termistores, sendo NTC(negative

temperature coeficiente) e PTC(positive temperature

coeficiente).

FIGURA I CURVAS DOS SENSORES PTC E NTC

O NTC é mais utilizado do que o PTC, devido a maior

facilidade de ser manufaturado. O PTC tem como sua

peculiaridade possuir um ponto de transição, somente a partir

de uma determinada temperatura exibirá uma variação ôhmica

com a variação da temperatura.

A. Comportamento do termistor NTC

O diferencial do NTC é ser muito mais sensível a variações

de temperatura, comparado com outros sensores de resistência

variável com a temperatura, como os RTDs e os termopares.

Porém, o fato de ser mais sensível faz com que se comporte

de forma não linear. A curva que define o comportamento da

temperatura pela temperatura tem um comportamento

exponencial.

FIGURA II SENSORES DE TEMPERATURA

Os RTDs são formados por materiais como o níquel, a

platina ou uma liga niquel-platina. Já os termistores são

fabricados de material semicondutor, tais como óxido de

níquel, cobalto ou magnésio e sulfeto de ferro. Os óxidos

semicondutores reagem de forma diferente do que os metais

que formam os RTDs, para o NTC a resistência descresce

exponencialmente com o aumento da temperatura.

Como o NTC não possui um comportamento linear da

resistência com a variação da temperatura, é necessário a

utilização de algum circuito que ajuste a curva exponencial

para uma aproximação linear. Alguns exemplos de modelo de

circuito que fazem a aproximação são: Ponte de Wheatstone e

Amplificador

operacional.

FIGURA III AMPOP LINEARIZAÇÃO

Termistores – NTC e PTC

Prof. Corradi - Disciplina: EE 317 Controle e Automação Industrial - Cotuca

FIGURA IV

PONTE DE WHEATSTONE

B. Características dos termistores

Os temistores possuem uma constante de tempo, que

considera o tempo levado para que se atinja 63% do valor da

próxima temperatura. A constante de tempo do sensor depende

diretamente da sua massa e do acoplamento térmico da

amostra.

No caso de consumo de potência, a corrente necessária para

que o termistor comece a atuar é da ordem de 100mA, o que

representará uma dissipação de potência de aproximadamente

2mW/°C. A estabilidade do termistor NTC abrange

temperaturas de -50°C até 150°C, os temistores são sensores

muito estáveis e sensíveis a variações pequenas de

temperatura. Devido a essas características é utilizado

massivamente na área militar.

III. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] LANDGRAF, F.;RODRIGUES,D.; Materiais magnéticos -

Seleção e controle de qualidade, Capítulo 7

[2] Metaltag Ltda, Fabricante de ímãs permanentes ,

http://www.metalmag.com.br/ produtos.htm

[3] Magneto Ltd, fabricante de ímãs permanentes,

http://www.magnetosgerais.com.br/index2.htm