Thermistance CTP

Qu’est-ce qu’une thermistance CTP ?

CTP signifie « coefficient de température positif ». Les thermistances PTC sont des résistances à coefficient de température positif, ce qui signifie que la résistance augmente avec l’augmentation de la température.

Les thermistances PTC sont divisées en deux groupes, en fonction des matériaux utilisés, de leur structure et du processus de fabrication. Le premier groupe de thermistances CTP est composé de silistances, qui utilisent le silicium comme matériau semi-conducteur. Elles sont utilisées comme capteurs de température CTP pour leur caractéristique linéaire. Le deuxième groupe est celui des thermistances CTP à commutation. Ce type de thermistances CTP est largement utilisé dans les chauffages CTP, les capteurs, etc. Les thermistances CTP en polymère, fabriquées dans un plastique spécial, font également partie de ce deuxième groupe et sont souvent utilisées comme fusibles réarmables. La thermistance CTP à commutation a une courbe résistance-température hautement non linéaire. Lorsque la thermistance CTP à commutation est chauffée, la résistance commence à diminuer dans un premier temps, jusqu’à ce qu’une certaine température critique soit atteinte. Lorsque la température augmente au-delà de cette valeur critique, la résistance augmente de façon spectaculaire. Cet article se concentrera sur les thermistances CTP de type à commutation.

Définition de la thermistance CTP

Une thermistance CTP est une résistance thermosensible dont la résistance augmente significativement avec la température.

Caractéristiques des thermistances CTP

Les thermistances CTP à commutation sont généralement constituées de matériaux céramiques polycristallins qui sont hautement résistifs dans leur état d’origine et sont rendus semi-conducteurs par l’ajout de dopants. Ils sont principalement utilisés comme chauffages autorégulateurs CTP. La température de transition de la plupart des thermistances CTP commutées se situe entre 60°C et 120°C. Cependant, il existe des dispositifs d’application spéciale fabriqués qui peuvent commuter aussi bas que 0°C ou aussi haut que 200°C.

Les silistors ont une caractéristique résistance-température linéaire, avec une pente qui est relativement faible sur la majeure partie de leur plage opérationnelle. Ils peuvent présenter un coefficient de température négatif à des températures supérieures à 150 °C. Les silistors ont des coefficients de température de la résistance d’environ 0,7 à 0,8 % °C.

Les caractéristiques résistance-température(R-T) d’un thermistor CTP et d’un silistor

Température de transition (Tc)

Comme on peut le voir sur la figure, le thermistor CTP à commutation a un coefficient de température légèrement négatif jusqu’au point de résistance minimale. Au-dessus de ce point, elle connaît un coefficient légèrement positif jusqu’au moment où elle atteint sa température de transition – TC. Cette température est appelée température de commutation, de transition ou de Curie. La température de commutation est la température à laquelle la résistance des thermistances CTP à commutation commence à augmenter rapidement. La température de Curie est la plupart du temps définie comme la température à laquelle la résistance est deux fois la valeur de la résistance minimale.

Résistance minimale (Rmin)

La résistance minimale d’une thermistance CTP est la résistance la plus faible qui peut être mesurée sur une thermistance CTP de type commuté, comme on le voit sur la courbe R-T. C’est le point de la courbe après lequel le coefficient de température devient positif.

Résistance nominale (R25)

La résistance nominale d’une PTC est normalement définie comme la résistance à 25°C. Elle sert à classer les thermistances en fonction de leur valeur de résistance. Elle est mesurée avec un courant faible qui ne chauffe pas suffisamment la thermistance pour affecter la mesure.

Constante de dissipation

La constante de dissipation représente la relation entre la puissance appliquée et l’augmentation de la température du corps résultant de l’auto-échauffement. Certains des facteurs qui affectent la constante de dissipation sont : les matériaux des fils de contact, la façon dont la thermistance est montée, la température ambiante, les chemins de conduction ou de convection entre le dispositif et son environnement, la taille et même la forme du dispositif lui-même. La constante de dissipation a un impact majeur sur les propriétés d’auto-échauffement de la thermistance.

Courant nominal maximal

Le courant nominal représente le courant maximal qui peut circuler constamment à travers une thermistance CTP dans des conditions ambiantes spécifiées. Sa valeur dépend de la constante de dissipation et de la courbe R-T. Si la thermistance est surchargée jusqu’au point où le coefficient de température recommence à diminuer, il en résulte une situation d’emballement et la destruction de la thermistance.

Tension nominale maximale

De même que le courant nominal maximal, la tension nominale maximale représente la tension la plus élevée qui peut être appliquée en permanence à la thermistance dans des conditions ambiantes spécifiées. Sa valeur, elle aussi, dépend de la constante de dissipation et de la courbe R-T.

Modes de fonctionnement

Selon l’application, les thermistances CTP peuvent être utilisées dans deux modes de fonctionnement ; auto-chauffé et détection (également appelé puissance nulle).

Mode auto-chauffé

Les applications auto-chauffées exploitent le fait que lorsqu’une tension est appliquée à une thermistance et qu’un courant suffisant la traverse, sa température augmente. À l’approche de la température de Curie, la résistance augmente considérablement, ce qui permet de faire passer beaucoup moins de courant. Ce comportement peut être observé sur la figure de gauche. La variation de la résistance à proximité de la température de Curie peut être de plusieurs ordres de grandeur sur un intervalle de température de quelques degrés seulement. Si la tension reste constante, le courant se stabilise à une certaine valeur lorsque la thermistance atteint l’équilibre thermique. La température d’équilibre dépend de la tension appliquée, ainsi que du facteur de dissipation thermique de la thermistance. Ce mode de fonctionnement est souvent utilisé lors de la conception de circuits de temporisation dépendant de la température.

Mode détection (puissance nulle)

Dans ce mode de fonctionnement, la consommation d’énergie de la thermistance est si faible qu’elle a un effet négligeable sur la température et donc la résistance de la thermistance, contrairement au mode auto-échauffement. Le mode de détection est généralement utilisé lors de la mesure de la température en utilisant la courbe R-T comme référence.

Construction et propriétés

Les thermistances CTP de type à commutation sont constituées de matériaux polycristallins. Elles sont souvent fabriquées à partir de mélanges de carbonate de baryum, d’oxyde de titane et d’additifs comme le tantale, la silice et le manganèse. Les matériaux sont broyés, mélangés, comprimés en forme de disques ou de rectangles et frittés. Ensuite, des contacts sont ajoutés et ils sont finalement revêtus ou encastrés. Le processus de fabrication exige un contrôle très minutieux des matériaux et des impuretés. Des contaminations de l’ordre de quelques parties par million peuvent entraîner des modifications importantes des propriétés thermiques et électriques.

Les CTP en polymère sont constitués d’une tranche de plastique dans laquelle sont intégrés des grains de carbone. Lorsque le dispositif est froid, les grains de carbone sont en contact étroit les uns avec les autres, formant un chemin conducteur à travers le dispositif. Lorsque le dispositif se réchauffe, le plastique se dilate et les grains s’éloignent les uns des autres, ce qui augmente la résistance totale du dispositif.

Les silistors reposent sur les propriétés de masse du silicium dopé et présentent des caractéristiques résistance-température proches de la linéarité. Ils sont produits à partir de plaquettes de silicium de haute qualité pure, réalisées sous différentes formes. La courbe température-résistance dépend de la quantité de dopage utilisée.

Applications typiques des thermistances CTP

Réchauffeurs autorégulateurs

Si un courant circule dans une thermistance CTP à commutation, elle s’auto-stabilise à une certaine température. Cela signifie que si la température est diminuée, la résistance diminuera également, permettant à plus de courant de circuler et donc de chauffer le dispositif. De même, si la température augmente, la résistance augmente également, ce qui limite le courant passant par le dispositif et le refroidit. La thermistance CTP a alors atteint un point où la puissance consommée est pratiquement indépendante de la tension sur une plage de tension relativement large. Ces thermistances CTP sont souvent fabriquées en céramique, sous différentes formes et tailles. En raison de leur souplesse de conception, les chauffages céramiques CTP constituent un excellent choix pour fournir une chaleur électrique contrôlée. Pour un transfert de chaleur accru, les éléments chauffants en céramique peuvent être montés sur des dissipateurs thermiques ou des grilles en aluminium.

Protection contre les surintensités

Les thermistances CTP commutées sont utilisées comme limiteurs de surintensité ou fusibles réarmables dans divers circuits. Dans le cas d’une situation de surintensité, la température du corps de la thermistance augmente et atteint rapidement la température de transition. La résistance de la thermistance CTP augmente alors fortement, ce qui limite le courant dans le circuit. Lorsque la situation de surintensité ou de court-circuit est résolue et que la thermistance se refroidit à nouveau, le circuit fonctionne à nouveau normalement. De cette façon, elle agit comme un fusible automatique réarmable. Normalement, des thermistances PTC en polymère sont utilisées pour cette application. Elles sont connues sous différents noms commerciaux tels que polyfuse, polyswitch et multifuse.

Temps de retard

Un temps de retard dans un circuit peut être fourni en utilisant le temps nécessaire à une thermistance CTP pour chauffer suffisamment pour passer de son état de basse résistance à un état de haute résistance, et vice versa. La temporisation dépend de la taille, de la température ambiante et de la tension à laquelle elle est connectée, ainsi que du circuit dans lequel elle est utilisée. Un exemple d’utilisation de la temporisation des thermistances CTP est leur utilisation dans les lampes fluorescentes. Lors de la première mise sous tension, la thermistance est à l’état froid (température ambiante). La tension de la lampe est inférieure à la tension d’allumage et le courant qui circule dans le circuit réchauffe en même temps les électrodes et la CTP. Lorsque la température de Curie est atteinte, la CTP bascule, la tension aux bornes de la lampe dépasse la tension d’amorçage et la lampe commence à fonctionner normalement. Le préchauffage des électrodes prolonge considérablement la durée de vie de la lampe, c’est pourquoi les thermistances CTP sont utilisées dans de tels circuits.

Démarrage du moteur

Certains moteurs électriques ont un enroulement de démarrage séparé qui doit être alimenté uniquement pendant le démarrage du moteur. Dans de tels cas, nous pouvons utiliser l’effet d’auto-échauffement d’une thermistance CTP connectée en série avec un tel enroulement. Lorsque le circuit est mis sous tension, la thermistance CTP a une faible résistance, permettant au courant de passer dans l’enroulement de démarrage. Au fur et à mesure que le moteur démarre, la thermistance PTC s’échauffe et passe à un moment donné à un état de résistance élevée. Le temps nécessaire pour que cela se produise est calculé sur la base du temps de démarrage requis du moteur. Une fois chauffé, le courant à travers la thermistance CTP devient négligeable et cela coupe le courant de l’enroulement de démarrage.

Détection du niveau de liquide

Ces applications reposent sur le changement de la constante de dissipation lorsque le transfert de chaleur par conduction et convection est augmenté. Une augmentation de la constante de dissipation, résultant du contact entre le dispositif et un liquide ou d’un flux d’air accru sur le dispositif, abaissera la température de fonctionnement de la thermistance et augmentera la quantité de puissance nécessaire pour maintenir une température corporelle donnée. L’augmentation de puissance peut être mesurée et indique au système que la thermistance est, par exemple, immergée dans un liquide.

Symbole de thermistance CTP

Le symbole suivant est utilisé pour une thermistance à coefficient de température positif, selon la norme CEI.

Symbole de thermistance CTPNorme CEI

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