Termistore PTC

Cosa sono i termistori PTC?

PTC sta per “Positive Temperature Coefficient”. I termistori PTC sono resistenze con un coefficiente di temperatura positivo, il che significa che la resistenza aumenta all’aumentare della temperatura.

I termistori PTC si dividono in due gruppi, in base ai materiali utilizzati, alla loro struttura e al processo di fabbricazione. Il primo gruppo di termistori PTC è composto da silistori, che usano il silicio come materiale semiconduttore. Sono utilizzati come sensori di temperatura PTC per la loro caratteristica lineare. Il secondo gruppo è il termistore PTC di tipo switching. Questo tipo di termistori PTC è ampiamente utilizzato nei riscaldatori PTC, nei sensori ecc. I termistori PTC polimerici, fatti di una plastica speciale, sono anche in questo secondo gruppo, spesso usati come fusibili ripristinabili. Il termistore PTC di tipo switching ha una curva resistenza-temperatura altamente non lineare. Quando il termistore PTC di tipo switching viene riscaldato, la resistenza inizia a diminuire all’inizio, fino a raggiungere una certa temperatura critica. Quando la temperatura viene ulteriormente aumentata al di sopra di quel valore critico, la resistenza aumenta drasticamente. Questo articolo si concentrerà sui termistori PTC di tipo switching.

Definizione di termistore PTC

Un termistore PTC è un resistore termosensibile la cui resistenza aumenta significativamente con la temperatura.

Caratteristiche dei termistori PTC

I termistori PTC switching sono di solito fatti di materiali ceramici policristallini che sono altamente resistivi nel loro stato originale e sono resi semi-conduttivi dall’aggiunta di droganti. Sono per lo più utilizzati come riscaldatori PTC autoregolanti. La temperatura di transizione della maggior parte dei termistori PTC commutati è compresa tra 60°C e 120°C. Tuttavia, ci sono dispositivi per applicazioni speciali prodotti che possono commutare fino a 0°C o fino a 200°C.

I silistori hanno una caratteristica resistenza-temperatura lineare, con una pendenza che è relativamente piccola attraverso la maggior parte della loro gamma operativa. Possono presentare un coefficiente di temperatura negativo a temperature superiori a 150 °C. I silistori hanno coefficienti di temperatura di resistenza di circa 0,7 a 0,8% °C.

Le caratteristiche resistenza-temperatura (R-T) di un termistore PTC e di un silistore

Temperatura di transizione (Tc)

Come si può vedere dalla figura, i termistori PTC a commutazione hanno un coefficiente di temperatura leggermente negativo fino al punto di resistenza minima. Al di sopra di questo punto, sperimenta un coefficiente leggermente positivo fino al momento in cui raggiunge la sua temperatura di transizione – TC. Questa temperatura è chiamata temperatura di commutazione, di transizione o di Curie. La temperatura di commutazione è la temperatura alla quale la resistenza dei termistori PTC di tipo switching inizia a salire rapidamente. La temperatura di Curie è il più delle volte definita come la temperatura alla quale la resistenza è il doppio del valore della resistenza minima.

Resistenza minima (Rmin)

La resistenza minima di un termistore PTC è la resistenza più bassa che può essere misurata su un termistore PTC di tipo commutato, come visto sulla curva R-T. È il punto della curva dopo il quale il coefficiente di temperatura diventa positivo.

Resistenza nominale (R25)

La resistenza nominale PTC è normalmente definita come la resistenza a 25°C. Serve a classificare i termistori secondo il loro valore di resistenza. Si misura con una corrente bassa che non riscalda il termistore abbastanza da influenzare la misura.

Costante di dissipazione

La costante di dissipazione rappresenta la relazione tra la potenza applicata e l’aumento di temperatura del corpo risultante dovuto all’autoriscaldamento. Alcuni dei fattori che influenzano la costante di dissipazione sono: i materiali dei fili di contatto, il modo in cui il termistore è montato, la temperatura ambiente, i percorsi di conduzione o convezione tra il dispositivo e l’ambiente circostante, le dimensioni e anche la forma del dispositivo stesso. La costante di dissipazione ha un impatto importante sulle proprietà di autoriscaldamento del termistore.

Corrente nominale massima

La corrente nominale rappresenta la corrente massima che può scorrere costantemente attraverso un termistore PTC in determinate condizioni ambientali. Il suo valore dipende dalla costante di dissipazione e dalla curva R-T. Se il termistore è sovraccaricato fino al punto in cui il coefficiente di temperatura inizia a diminuire di nuovo, questo si tradurrà in una situazione di potenza di fuga e la distruzione del termistore.

Tensione nominale massima

Similmente alla corrente nominale massima, la tensione nominale massima rappresenta la tensione più alta che può essere applicata continuamente al termistore alle condizioni ambientali specificate. Anche il suo valore dipende dalla costante di dissipazione e dalla curva R-T.

Modalità di funzionamento

A seconda dell’applicazione, i termistori PTC possono essere utilizzati in due modalità di funzionamento: autoriscaldato e rilevamento (chiamato anche zero-power).

Modalità autoriscaldato

Le applicazioni autoriscaldate sfruttano il fatto che quando una tensione viene applicata a un termistore e una corrente sufficiente scorre attraverso di esso, la sua temperatura aumenta. Quando la temperatura di Curie si avvicina, la resistenza aumenta drasticamente, permettendo un flusso di corrente molto inferiore. Questo comportamento può essere visto dalla figura a sinistra. Il cambiamento di resistenza vicino alla temperatura di Curie può essere di diversi ordini di grandezza in un intervallo di temperatura di pochi gradi. Se la tensione rimane costante, la corrente si stabilizza ad un certo valore quando il termistore raggiunge l’equilibrio termico. La temperatura di equilibrio dipende dalla tensione applicata e dal fattore di dissipazione termica del termistore. Questo modo di funzionamento è spesso utilizzato quando si progettano circuiti a tempo dipendenti dalla temperatura.

Modo di rilevamento (zero-power)

In questo modo di funzionamento, il consumo di energia del termistore è così piccolo che ha un effetto trascurabile sulla temperatura del termistore e quindi sulla resistenza, in contrasto con il modo auto-riscaldato. Il modo di rilevamento è solitamente utilizzato quando si misura la temperatura utilizzando la curva R-T come riferimento.

Costruzione e proprietà

I termistori PTC di tipo a commutazione sono fatti di materiali policristallini. Sono spesso fabbricati usando miscele di carbonato di bario, ossido di titanio e additivi come tantalio, silice e manganese. I materiali sono macinati, mescolati, compressi in forma di dischi o rettangoli e sinterizzati. In seguito, vengono aggiunti i contatti e infine vengono rivestiti o incapsulati. Il processo di fabbricazione richiede un controllo molto attento dei materiali e delle impurità. Contaminazioni dell’ordine di poche parti per milione possono causare grandi cambiamenti nelle proprietà termiche ed elettriche.

I PTC polimerici sono fatti di una fetta di plastica con grani di carbonio incorporati. Quando il dispositivo è freddo, i grani di carbonio sono in stretto contatto tra loro, formando un percorso conduttivo attraverso il dispositivo. Quando il dispositivo si riscalda, la plastica si espande e i grani si allontanano ulteriormente, aumentando la resistenza totale del dispositivo.

I silistori si basano sulle proprietà di massa del silicio drogato ed esibiscono caratteristiche resistenza-temperatura che sono quasi lineari. Sono prodotti da wafer di silicio di alta qualità pura, realizzati in diverse forme. La curva temperatura-resistenza dipende dalla quantità di drogaggio usata.

Applicazioni tipiche per i termistori PTC

Riscaldatori autoregolanti

Se c’è una corrente che attraversa un termistore PTC a commutazione, si auto-stabilizza a una certa temperatura. Significa che se la temperatura diminuisce, anche la resistenza diminuisce, permettendo a più corrente di fluire e quindi riscaldando il dispositivo. Allo stesso modo, se la temperatura aumenta, anche la resistenza aumenta, limitando la corrente che passa attraverso il dispositivo, raffreddandolo così. Il termistore PTC ha quindi raggiunto un punto in cui la potenza consumata è praticamente indipendente dalla tensione su una gamma di tensione relativamente ampia. Questi termistori PTC sono spesso fatti di ceramica in varie forme e dimensioni e a causa della loro flessibilità di progettazione, i riscaldatori ceramici PTC sono una grande scelta per fornire calore elettrico controllato. Per un maggiore trasferimento di calore, gli elementi riscaldanti in ceramica possono essere montati su dissipatori di calore in alluminio o griglie.

Protezione da sovracorrente

I termistori PTC commutati sono utilizzati come limitatori di sovracorrente o fusibili ripristinabili in vari circuiti. Nel caso di una situazione di sovracorrente, la temperatura del corpo del termistore aumenta e raggiunge rapidamente la temperatura di transizione. Questo fa sì che la resistenza del termistore PTC aumenti bruscamente, limitando la corrente nel circuito. Quando la situazione di sovracorrente o di cortocircuito è risolta e il termistore si raffredda di nuovo, il circuito funziona di nuovo normalmente. In questo modo agisce come un fusibile automatico ripristinabile. Normalmente i termistori PTC polimerici sono usati per questa applicazione. Sono conosciuti sotto diversi nomi commerciali come polyfuse, polyswitch e multifuse.

Time delay

Un ritardo in un circuito può essere fornito usando il tempo necessario a un termistore PTC per riscaldarsi abbastanza da passare dal suo stato di bassa resistenza a uno stato di alta resistenza, e viceversa. Il ritardo dipende dalle dimensioni, dalla temperatura ambiente e dalla tensione a cui è collegato, nonché dal circuito in cui è utilizzato. Un esempio di ritardo nell’uso dei termistori PTC è il loro uso nelle lampade fluorescenti. Quando l’alimentazione viene applicata per la prima volta, il termistore è in uno stato freddo (temperatura ambiente). La tensione della lampada è inferiore alla tensione di accensione e la corrente che scorre nel circuito riscalda gli elettrodi e il PTC allo stesso tempo. Quando la temperatura di Curie viene raggiunta, il PTC si commuta, la tensione attraverso la lampada supera la tensione di accensione e la lampada inizia a funzionare normalmente. Il preriscaldamento degli elettrodi prolunga la vita della lampada in modo significativo, motivo per cui i termistori PTC sono utilizzati in tali circuiti.

Avvio del motore

Alcuni motori elettrici hanno un avvolgimento di avvio separato che deve essere alimentato solo durante l’avvio del motore. In questi casi, possiamo utilizzare l’effetto di autoriscaldamento di un termistore PTC collegato in serie con tale avvolgimento. Quando il circuito è acceso, il termistore PTC ha una bassa resistenza, permettendo alla corrente di passare attraverso l’avvolgimento di avvio. Mentre il motore si avvia, il termistore PTC si riscalda e a un certo punto passa a uno stato di alta resistenza. Il tempo necessario perché questo avvenga è calcolato in base al tempo di avvio del motore richiesto. Una volta riscaldato, la corrente attraverso il termistore PTC diventa trascurabile e questo spegne la corrente dell’avvolgimento di avvio.

Rilevamento del livello del liquido

Queste applicazioni si basano sul cambiamento della costante di dissipazione quando il trasferimento di calore per conduzione e convezione è aumentato. Un aumento della costante di dissipazione, risultante dal contatto tra il dispositivo e un liquido o un aumento del flusso d’aria sul dispositivo, abbasserà la temperatura operativa del termistore e aumenterà la quantità di potenza necessaria per mantenere una data temperatura del corpo. L’aumento di potenza può essere misurato e indica al sistema che il termistore è, per esempio, immerso in un liquido.

Simbolo termistore PTC

Il seguente simbolo viene utilizzato per un termistore a coefficiente di temperatura positivo, secondo lo standard IEC.

Simbolo termistore PTCStandard IEC