PTC thermistor

O que são termistores PTC?

PTC significa “Positive Temperature Coefficient” (Coeficiente de temperatura positiva). Os termistores de PTC são resistências com um coeficiente de temperatura positiva, o que significa que a resistência aumenta com o aumento da temperatura.

PTC termistores são divididos em dois grupos, com base nos materiais utilizados, sua estrutura e o processo de fabricação. O primeiro grupo de termistores de PTC é composto por silistores, que utilizam silício como material semicondutor. Eles são usados como sensores de temperatura de PTC por sua característica linear. O segundo grupo é o termistor de comutação do tipo PTC. Este tipo de termistores de PTC é amplamente utilizado em aquecedores de PTC, sensores, etc. Os termistores de PTC de polímero, feitos de um plástico especial, também fazem parte deste segundo grupo, muitas vezes utilizados como fusíveis reinicializáveis. O termistor de comutação tipo PTC tem uma curva de resistência-temperatura altamente não-linear. Quando o termistor de comutação do tipo PTC é aquecido, a resistência começa a diminuir no início, até que uma certa temperatura crítica seja atingida. Como a temperatura é aumentada ainda mais acima desse valor crítico, a resistência aumenta dramaticamente. Este artigo irá focar os termistores de comutação tipo PTC.

Definição do termistor PTC

Um termistor PTC é um resistor termicamente sensível cuja resistência aumenta significativamente com a temperatura.

Características dos termistores PTC

Termistores PTC comutáveis são normalmente feitos de materiais cerâmicos policristalinos que são altamente resistivos no seu estado original e são feitos semi-condutores pela adição de dopantes. Eles são utilizados principalmente como aquecedores auto-reguladores de PTC. A temperatura de transição da maioria dos termistores de PTC comutados está entre 60°C e 120°C. Contudo, existem dispositivos de aplicação especial fabricados que podem comutar até 0°C ou até 200°C.

Silístores têm uma característica de resistência-temperatura linear, com um declive relativamente pequeno através da maior parte da sua gama operacional. Podem apresentar um coeficiente de temperatura negativo a temperaturas superiores a 150°C. Os silenciadores têm temperatura coefficients de resistência de cerca de 0,7 a 0,8% °C.

As características de resistência-temperatura(R-T) de um termistor PTC e um silenciador

Temperatura de transição (Tc)

Como pode ser visto na figura, os termistores de comutação PTC têm um coeficiente de temperatura ligeiramente negativo até o ponto de resistência mínima. Acima deste ponto, ele experimenta um coeficiente ligeiramente positivo até o momento em que atinge a sua temperatura de transição – TC. Esta temperatura é chamada de temperatura de comutação, transição ou temperatura Curie. A temperatura de comutação é a temperatura na qual a resistência dos termistores de comutação do tipo PTC começa a subir rapidamente. A temperatura Curie é na maior parte do tempo definida como a temperatura na qual a resistência é o dobro do valor da resistência mínima.

Resistência mínima (Rmin)

A resistência mínima de um termistor PTC é a resistência mais baixa que pode ser medida num termistor PTC do tipo comutado, como visto na curva R-T. É o ponto na curva após o qual o coeficiente de temperatura torna-se positivo.

Resistência nominal (R25)

A resistência nominal de PTC é normalmente definida como a resistência a 25°C. Ela serve para classificar os termistores de acordo com o seu valor de resistência. É medida com uma corrente baixa que não aquece o termistor o suficiente para afetar a medição.

P constante de dissipação

A constante de dissipação representa a relação entre a potência aplicada e o aumento da temperatura corporal resultante devido ao auto-aquecimento. Alguns dos fatores que afetam a constante de dissipação são: os materiais do fio de contato, a forma de montagem do termistor, a temperatura ambiente, os caminhos de condução ou convecção entre o dispositivo e seu entorno, o tamanho e até mesmo a forma do próprio dispositivo. A constante de dissipação tem um grande impacto sobre as propriedades de auto-aquecimento do termistor.

Corrente nominal máxima

A corrente nominal representa a corrente máxima que pode fluir constantemente através de um termistor PTC em condições ambientais especificadas. O seu valor depende da constante de dissipação e da curva R-T. Se o termistor estiver sobrecarregado até o ponto em que o coeficiente de temperatura comece a diminuir novamente, isso resultará em uma situação de energia em fuga e destruição do termistor.

Tensão nominal máxima

Simplesmente à corrente nominal máxima, a tensão nominal máxima representa a tensão mais alta que pode ser aplicada continuamente ao termistor em condições ambientais especificadas. Seu valor também depende da constante de dissipação e da curva R-T.

Modos de operação

Dependente da aplicação, os termistores PTC podem ser usados em dois modos de operação; auto-aquecimento e sensoriamento (também chamado de potência zero).

Modo auto-aquecimento

Aplicações auto-aquecimento exploram o fato de que quando uma tensão é aplicada a um termistor e corrente suficiente flui através dele, sua temperatura aumenta. À medida que a temperatura Curie se aproxima, a resistência aumenta drasticamente, permitindo que muito menos corrente flua. Este comportamento pode ser visto a partir da figura à esquerda. A variação da resistência perto da temperatura Curie pode ser de várias ordens de magnitude dentro de um intervalo de temperatura de apenas alguns graus. Se a voltagem permanecer constante, a corrente estabilizará a um certo valor à medida que o termistor atinge o equilíbrio térmico. A temperatura de equilíbrio depende da tensão aplicada, bem como do fator de dissipação térmica do termístor. Este modo de operação é frequentemente utilizado ao projetar circuitos de temporização dependentes da temperatura.

Sensing (zero potência) modo

Neste modo de operação, o consumo de energia do termistor é tão pequeno que tem um efeito negligenciável na temperatura do termistor e, portanto, resistência, em contraste com o modo auto-aquecido. O modo de detecção é normalmente utilizado na medição da temperatura usando a curva R-T como referência.

Construção e propriedades

Termistores PTC do tipo comutador são feitos de materiais poli-cristalinos. São frequentemente fabricados usando misturas de carbonato de bário, óxido de titânio e aditivos como tântalo, sílica e manganês. Os materiais são moídos, misturados, comprimidos em discos ou formas rectangulares e sinterizados. Posteriormente, são adicionados contactos e são finalmente revestidos ou encapsulados. O processo de fabricação requer um controle muito cuidadoso dos materiais e das impurezas. Contaminações na ordem de algumas peças por milhão podem causar grandes mudanças nas propriedades térmicas e elétricas.

Polymer PTCs são feitos de uma fatia de plástico com grãos de carbono nele embutidos. Quando o dispositivo está frio, os grãos de carbono estão em contato próximo uns com os outros, formando um caminho condutor através do dispositivo. Quando o dispositivo aquece, o plástico se expande e os grãos se afastam ainda mais, aumentando a resistência total do dispositivo.

Silístores dependem das propriedades do silicone dopado e apresentam características de resistência-temperatura próximas ao linear. Eles são produzidos a partir de pastilhas de silício de alta qualidade pura, feitas em diferentes formas. A curva de resistência à temperatura depende da quantidade de doping utilizada.

Aplicações típicas para termistores PTC

Aquecedores auto-reguláveis

Se houver uma corrente passando por um termistor PTC comutável, ele se estabilizará automaticamente a uma determinada temperatura. Isso significa que se a temperatura for diminuída, a resistência também diminuirá, permitindo que mais corrente flua e assim aquecendo o dispositivo. Da mesma forma, se a temperatura for aumentada, a resistência também é aumentada, limitando a passagem de corrente através do dispositivo, arrefecendo-o assim. O termistor PTC atingiu então um ponto em que a potência consumida é praticamente independente da tensão numa gama de tensão relativamente ampla. Estes termistores PTC são frequentemente feitos de cerâmica em várias formas e tamanhos e, devido à sua flexibilidade de design, os aquecedores de cerâmica PTC são uma ótima escolha para fornecer calor elétrico controlado. Para uma maior transferência de calor, os elementos de aquecimento cerâmicos podem ser montados em dissipadores de calor de alumínio ou grelhas.

Protecção contra sobrecorrente

Termistores PTC comutados são usados como limitadores de sobrecorrente ou fusíveis reinicializáveis em vários circuitos. No caso de uma situação de sobrecorrente, a temperatura do corpo do termistor aumenta e atinge rapidamente a temperatura de transição. Isto resulta na resistência do termistor de PTC subindo acentuadamente, limitando a corrente no circuito. Quando a situação de sobrecorrente ou curto-circuito for resolvida e o termistor for resfriado novamente, o circuito funcionará como normal novamente. Desta forma, actua como um fusível de rearme automático. Normalmente são utilizados termistores de PTC polímero para esta aplicação. Eles são conhecidos sob diferentes nomes comerciais, como polifusíveis, polyswitch e multifusíveis.

Atraso de tempo

Um atraso de tempo em um circuito pode ser fornecido usando o tempo necessário para um termistor de PTC aquecer o suficiente para mudar de seu estado de baixa resistência para um estado de alta resistência, e vice-versa. O tempo de retardo depende do tamanho, da temperatura ambiente e da tensão a que está ligado, bem como do circuito em que é utilizado. Um exemplo de uso de retardo de tempo para termistores PTC é o seu uso em lâmpadas fluorescentes. Quando a energia é aplicada pela primeira vez, o termistor está em estado frio (temperatura ambiente). A tensão da lâmpada está abaixo da tensão de ignição e a corrente que flui através do circuito aquece os eléctrodos e o PTC ao mesmo tempo. Quando a temperatura Curie for atingida, o PTC irá mudar, a tensão através da lâmpada excederá a tensão de ignição e a lâmpada começará a funcionar normalmente. O pré-aquecimento dos eléctrodos aumenta significativamente a vida útil da lâmpada, razão pela qual os termistores de PTC são utilizados nestes circuitos.

Arranque do motor

Alguns motores eléctricos têm um enrolamento de arranque separado que só precisa de ser alimentado durante o arranque do motor. Nesses casos, podemos usar o efeito de auto-aquecimento de um termistor PTC ligado em série com um enrolamento deste tipo. Quando o circuito é ligado, o termistor de PTC tem uma resistência baixa, permitindo que a corrente passe através do enrolamento de arranque. Quando o motor arranca, o termistor de PTC aquece e, num ponto, muda para um estado de alta resistência. O tempo necessário para que isto ocorra é calculado com base no tempo necessário para o arranque do motor. Uma vez aquecido, a corrente através do termistor de PTC torna-se insignificante e este desliga a corrente de arranque do enrolamento.

Sensibilidade do nível de líquido

Estas aplicações dependem da alteração da constante de dissipação quando a condução e a transferência de calor por convecção são aumentadas. Um aumento na constante de dissipação, resultante do contacto entre o dispositivo e um líquido ou um aumento do fluxo de ar sobre o dispositivo irá baixar a temperatura de funcionamento do termistor e aumentar a quantidade de energia necessária para manter uma determinada temperatura corporal. O aumento de potência pode ser medido e indica ao sistema que o termistor está, por exemplo, imerso num líquido.

Símbolo do termistor de PTC

O seguinte símbolo é usado para um termistor de coeficiente de temperatura positivo, de acordo com a norma IEC.

Símbolo do termistor de PTC Norma IEC