Coëfficient de Température Négatif
Le coëfficient de température négatif est la propriété des matériaux à base de semi-conducteurs où leur résistance électrique diminue à mesure que leur température corporelle augmente.
Qu’est-ce que le Coefficient de Température Négatif
Le Coefficient de Température Négatif, ou NTC pour faire court, joue un rôle important dans la détermination du comportement thermique de divers composants électriques et électroniques. C’est le cas des thermistors, amplificateurs et semi-conducteurs. Il existe plusieurs types de capteurs de température qui peuvent tous servir de blocs de base pour aider à maintenir les systèmes électroniques à l’abri des pannes thermiques.
Le terme Coefficient de Température (TC) fait référence à la propriété de certains matériaux par laquelle leur valeur physique change suite à des variations directes de leur corps, ou indirectement par la température ambiante environnante. En d’autres termes, à mesure qu’un matériau ou un composant devient plus chaud (ou plus froid), sa valeur change et n’est donc pas constante à toutes les températures.
La valeur résistive de la plupart des matériaux conducteurs de courant augmente presque de manière linéaire lorsqu’ils fonctionnent dans leur plage de température normale. Cependant, certains électrolytes et matériaux semi-conducteurs montrent une valeur résistive qui diminue avec une augmentation de la température. En effet, à mesure qu’ils chauffent, leur résistance diminue et devient moins résistante à l’écoulement du courant électrique.
La valeur du coefficient de température de résistance, α (lettre grecque alpha), est généralement utilisée pour indiquer dans quelle mesure la résistance d’un matériau augmente ou diminue pour un changement donné de sa température.
Par exemple, une valeur positive de α signifie que sa résistance augmente avec la température, ce qui lui confère un “coefficient de température positif” (PTC). Alors qu’une valeur négative de α signifie que sa résistance diminue avec la température, lui donnant un “coefficient de température négatif” (NTC).
Bien qu’un matériau puisse avoir soit un coefficient de température NTC soit PTC, ils suivent néanmoins la loi d’Ohm, tout comme un résistor fixe, sauf que leur valeur de résistance varie selon la température à laquelle ils sont exposés.
Certains alliages métalliques, comme le constantan, ont une valeur d’α nulle, ce qui signifie que leur valeur ne change pas avec la température. Alors que les propriétés physiques de certains matériaux peuvent changer très légèrement, d’autres matériaux subissent des changements dramatiques dans leur valeur physique avec des variations de température.
Formule du Coefficient de Température de Résistance
R(T) = R0 + R0(α∆T)
ou
R(T) = R0(1 + α(T – T0))
Où :
- R(T) est la valeur résistive en ohms à une température donnée, (T)
- R0 est sa valeur initiale en ohms à une température de référence (généralement 20oC)
- α est le coefficient de température de résistance du matériau à 20oC en Ω/oC
- ∆T est la différence de température au-dessus de 20oC en oC
Exemple NTC Résolu N°1
Une bobine de fil de cuivre a une résistance initiale de 25Ω à 20oC. Quelle sera sa valeur résistive si elle est chauffée à 140oC ?
Le coefficient de température du fil de cuivre est défini comme étant : α = 0.00393 Ω/oC (pris à 0.004 ici).
La différence de température est donnée par : ∆T = 140oC – 20oC = 120oC
Utilisant la formule ci-dessus, la résistance de la bobine de cuivre à 140oC est :
R = 25(1 + 0.004(140 – 20)) = 37Ω
Ainsi, la bobine de fil de cuivre a augmenté sa résistance de 12Ω. Une augmentation de 48 % par rapport à sa valeur originale de 25Ω.
Nous pouvons montrer cette augmentation de la résistance de la bobine à l’aide du graphique suivant.
Variation de Résistance avec la Température
Nous pourrions, si nous le souhaitons, également calculer la résistance de la bobine de cuivre lorsqu’elle est refroidie à 0oC comme suit :
R = 25(1 + 0.004(0 – 20)) = 23Ω
Nous constatons donc que chauffer la bobine de fil de 0oC à 140oC fait passer sa résistance de 23Ω à 37Ω respectivement lorsque sa valeur de résistance à température ambiante est de 25oC. Ainsi, dans cet exemple, la bobine a un coefficient de température positif.
Connaître la valeur de la pente du graphique permet de calculer la résistance d’un matériau à n’importe quelle température puisque le coefficient de température de résistance (α) peut être calculé comme suit :
Changement de Coefficient de Température de Résistance
Où la résistance, R1 est donnée à la température T1
Le coefficient de température de divers composants peut également différer tant en magnitude qu’en signe. Par exemple, la valeur initiale d’un composant sera donnée à 20oC à température ambiante mais changera d’un montant à mesure que la température de l’air environnant change, ce qui pourrait affecter son fonctionnement.
En général, le coefficient de température d’un composant électronique en tant qu’augmentation de résistance par ohm de résistance originale par oC d’élévation de température est donné en parties par million (ppm) par changement de degré Celsius (oC). Donc, par exemple, 100ppm/oC.
Thermistor à Coefficient de Température Négatif
L’une des applications les plus courantes des matériaux NTC est le “thermistor NTC” à deux bornes. Thermistor, qui est un mot valise formé de Thermores et Resistor, est un résistor sensible à la température dont la résistance diminue considérablement à mesure que sa température augmente. C’est-à-dire qu’ils ont un coefficient de température négatif (NTC).
Les thermistors thermosensibles sont généralement constitués d’un matériau semi-conducteur qui transforme les changements de température corporelle en résistance électrique et sont largement utilisés dans la détection de température, les systèmes de contrôle et les circuits de protection. Ces petits dispositifs de type perle offrent des mesures de température hautement précises et fiables. En général, les thermistors NTC sont préférés à d’autres capteurs de température (comme les RTD ou les thermocouples) en raison de leur faible coût, de leur rapidité de réponse et de leur sensibilité aux petites variations de température.
Symbole du Thermistor NTC
En général, les thermistors NTC sont conçus pour atteindre une haute précision dans une plage de température spécifiée d’environ ±50oC autour de leur résistance centrale à température ambiante, soit 25oC (77oF). En dehors de cette plage, leur précision peut diminuer ou le matériau peut se comporter différemment de ce qui est attendu.
De plus, la caractéristique résistive d’un thermistor NTC n’est pas linéaire mais peut être ajustée par points ou courbes. Les thermistors NTC à réglage par points sont conçus pour avoir une tolérance garantie à un point de température particulier. Par exemple, si un point de température est d’un grand intérêt, 0oC, 25oC, 100oC, etc.
Lorsque la mesure doit couvrir une plage de températures plus large, par exemple de -50 à 150oC, des thermistors à réglage de courbe peuvent être utilisés. Notez que tandis que les thermistors à réglage de courbe offrent une plus large variation de résistance en fonction de la température, leurs valeurs résistives à une température particulière varieront d’un fabricant de thermistors NTC à un autre.
La valeur résistive d’un thermistor peut également changer en raison de variations de température causées par un courant électrique circulant à travers le composant. Lorsqu’ils sont connectés en série à un circuit ou un composant, ils agissent comme un dispositif limitant le courant.
Le thermistor NTC a une haute résistance initiale qui limite tout changement soudain de courant transitoire ou d’appel. À mesure qu’il chauffe, sa résistance diminue, contrôlant ainsi l’écoulement du courant et la dissipation de puissance. Cet effet d’auto-chauffage prend quelques secondes, pendant lesquelles le courant augmente graduellement plutôt quinstantanément.
Marquages des Thermistors NTC
Les thermistors NTC sont souvent accompagnés de marquages spécifiques qui aident à identifier leurs caractéristiques, telles que les valeurs de résistance, la tolérance et parfois un code du fabricant. Ces marquages codés peuvent varier selon le fabricant et la taille du thermistor, mais voici quelques façons courantes d’identifier les marquages des thermistors NTC.
1. Marquages de Valeur Résistive
La valeur résistive à une température spécifique (généralement à 25oC) est généralement marquée en ohms (Ω), kilo-ohms (kΩ) ou méga-ohms (MΩ).
2. Diamètre
Le diamètre est souvent associé au numéro de modèle ou au numéro de pièce du thermistor, qui peut être imprimé sur le corps du thermistor. Par exemple, un thermistor NTC de type disque (ex. NTC 10D-9) aura un diamètre de 9 mm, où “10D-9” indique la valeur de résistance et la taille physique correspondant à un diamètre de 9 mm. Le diamètre d’un thermistor est souvent associé à son numéro de modèle ou de pièce.
3. Forme Physique ou Fils
Les thermistors de disque et les thermistors de perle peuvent avoir des caractéristiques physiques uniques telles que la taille, la forme ou le type de fils. Bien que ce ne soit pas directement un marquage, l’apparence physique peut aider à identifier le type de thermistor.
Pour identifier complètement un thermistor à coefficient de température négatif, utiliser les fiches techniques des fabricants avec des codes numériques, des valeurs de tolérance ou des numéros de pièces fabricants peut permettre de confirmer des détails comme les plages de température, la résistance exacte à différentes températures et les notes de tolérance.
Marquages Typiques des Thermistors NTC
|
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| Marquages du Thermistor | |
|---|---|
| NTC | Thermistor NTC |
| 2.5 | Résistance Nominale de 2.5Ω |
| D | Dispositif de Type Disque |
| 20 | Diamètre de 20mm |
Ainsi, l’exemple de thermistor NTC donné est un thermistor de type disque de 20mm de diamètre avec une valeur résistive à température ambiante de 2.5Ω.
Courbe du Thermistor à Coefficient de Température Négatif
Les thermistors à réglage de courbe sont caractérisés par leur valeur résistive à température ambiante, 25oC. Mais contrairement à d’autres capteurs, les thermistors NTC sont des dispositifs non linéaires, ce qui signifie que les points sur un graphique représentant la relation entre la résistance et la température ne forment pas une ligne droite mais ressembleront plutôt à ceci :
Courbe Non Linéaire du Thermistor NTC
Clairement, la pente de la ligne et l’ampleur de son changement seront déterminées par le type et la construction du thermistor.
Conversion de la Température en Tension
Utiliser un thermistor NTC pour convertir la température en tension implique généralement de créer un circuit diviseur de tension. Ce circuit convertit la résistance changeante du thermistor (qui varie avec la température) en une tension correspondante pouvant être lue par un convertisseur analogique-numérique (ADC) ou d’autres dispositifs de mesure.
En raison de la chute de tension toujours produite à travers une résistance traversée par un courant, nous pouvons utiliser une tension d’excitation externe fixe et un thermistor NTC connecté en série avec un résistor de valeur fixe pour produire une tension de sortie comme illustré.
Configuration du Diviseur de Tension du Thermistor NTC
À mesure que la température change, la résistance du thermistor NTC change, ce qui modifie la tension de sortie qui chute sur la résistance fixe.
Mesurer la tension de sortie (VTEMP) à travers le thermistor (ou à travers la résistance fixe, selon l’endroit où vous placez la mesure) peut alors être lu par une broche d’entrée analogique d’un microcontrôleur (par exemple, un Arduino, Raspberry Pi, etc.), ou un voltmètre pour une lecture directe.
Pour maximiser la sensibilité de votre conversion de tension en température, choisissez une résistance fixe dont la valeur est proche de la résistance du thermistor dans la plage de température attendue. Par exemple, si le thermistor a une résistance de 10 kΩ à 25oC, une résistance fixe de 10 kΩ fournirait une bonne réponse autour de cette température.
Comme mentionné précédemment, en raison de la relation non linéaire entre la résistance du thermistor NTC et la température, un circuit de linéarisation, tel qu’un amplificateur opérationnel, sera nécessaire pour produire une tension de sortie linéaire.
Exemple NTC Résolu N°2
Un thermistor NTC de 1 kΩ avec un coefficient bêta de 3950 est connecté en série avec une résistance fixe de 1 kΩ à travers une alimentation de 12 volts pour mesurer une plage de température de 10oC à 100oC. Calculez la tension chutée à travers le thermistor à une température de 37oC.
La résistance du thermistor à la température de 37oC est donnée par :
Où :
- R0 est la résistance du thermistor à une température de référence de 25oC.
- T est la température à laquelle vous mesurez la résistance du thermistor, exprimée en Kelvin (K). T = T(oC) + 273,15
- T0 est la température de référence en Kelvin (typiquement 298,15 K pour 25oC).
- Valeur B (coefficient bêta) du thermistor, qui est donné comme 3950.
Ainsi, la tension chutée à travers le thermistor à la température de 37oC est donnée par :
Résumé du Coefficient de Température Négatif
Dans ce tutoriel sur le coefficient de température négatif, nous avons vu que les matériaux et les composants peuvent changer leurs valeurs physiques lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Le taux de changement de la résistance d’un matériau avec une variation de température est appelé “coefficient de température” du matériau et est couramment noté par la lettre grecque alpha (α).
Le terme Coefficient de Température Négatif, ou (NTC) fait référence à la propriété de certains matériaux dont la résistance diminue lorsque la température augmente. Dans un matériau à coefficient de température positif (PTC), sa résistance augmente lorsque la température s’élève.
Une des applications les plus courantes des matériaux NTC se trouve dans les thermistors NTC. Les thermistors sont des dispositifs passifs sensibles à la chaleur, généralement constitués d’un matériau semi-conducteur dont la résistance change très rapidement avec les variations de température. En tant que tel, on les trouve couramment dans les thermostats, en tant que capteurs de température automobile et dans les appareils électroménagers.
Ainsi, le concept de coefficient de température négatif (NTC) joue un rôle significatif tant dans les technologies du quotidien que dans les applications industrielles spécialisées, offrant un moyen fiable et économique de surveiller et de contrôler la température. Comprendre comment fonctionnent les capteurs à coefficient de température négatif et où ils peuvent être appliqués est essentiel pour quiconque s’intéresse à la conception électronique ou à la gestion thermique.
