Le thermistor est un dispositif de détection de température à état solide qui fonctionne un peu comme un résistor électrique, mais qui est sensible à la température. Les thermistors peuvent être utilisés pour produire une tension de sortie analogique avec des variations de température ambiante et peuvent ainsi être qualifiés de transducteurs. Cela est dû au fait qu’ils créent un changement dans leurs propriétés électriques en raison d’une modification externe et physique de la chaleur.

Le thermistor est essentiellement un transducteur thermosensible à deux bornes, construit à partir d’oxydes métalliques semiconducteurs sensibles, avec des fils de connexion métallisés ou frittés formés en disque ou perle céramique.

Cela permet au thermistor de modifier sa valeur résistive proportionnellement aux petites variations de température ambiante. En d’autres termes, à mesure que sa température change, sa résistance change également, et c’est pourquoi son nom, “thermistor”, est une combinaison des mots THERM-iquement sensible et res-ISTOR.

Alors que le changement de résistance dû à la chaleur est généralement indésirable dans les résistances standard, cet effet peut être mis à profit dans de nombreux circuits de détection de température. Étant des dispositifs résistifs non linéaires, les thermistors sont couramment utilisés comme capteurs de température ayant de nombreuses applications pour mesurer la température des liquides et de l’air ambiant.

De plus, étant un dispositif à état solide fabriqué à partir d’oxydes métalliques très sensibles, ils fonctionnent au niveau moléculaire, avec les électrons les plus externes (électrons de valence) devenant plus actifs, produisant un coefficient de température négatif, ou moins actifs produisant un coefficient de température positif à mesure que la température du thermistor augmente.

Cela signifie qu’ils ont de très bonnes caractéristiques de résistance par rapport à la température, leur permettant de fonctionner à des températures allant jusqu’à 200^oC.

Thermistor typique

Alors que l’utilisation principale des thermistors est en tant que capteurs de température résistifs, ils peuvent également être connectés en série avec un autre composant ou dispositif pour contrôler un courant électrique les traversant. En d’autres termes, ils peuvent être utilisés comme des dispositifs thermosensibles limitant le courant.

Les thermistors sont disponibles dans une large gamme de types, de matériaux et de tailles, caractérisés par leur temps de réponse et leur température de fonctionnement. En outre, les thermistors scellés hermétiquement éliminent les erreurs dans les lectures de résistance dues à la pénétration de l’humidité tout en offrant des températures de fonctionnement élevées et une taille compacte. Les trois types les plus courants sont : les thermistors en perle, les thermistors en disque et les thermistors encapsulés dans du verre.

Ces résistors dépendants de la chaleur peuvent fonctionner de deux manières, soit en augmentant, soit en diminuant leur valeur résistive avec des variations de température. Il existe ensuite deux types de thermistors disponibles : ceux à coefficient de température négatif (NTC) de résistance et ceux à coefficient de température positif (PTC) de résistance.

Thermistors à Coefficient de Température Négatif

Les thermistors à coefficient de température négatif, ou thermistors NTC en abrégé, réduisent ou diminuent leur valeur résistive à mesure que la température ambiante augmente. En général, les thermistors NTC sont le type de capteurs de température le plus couramment utilisé car ils peuvent être utilisés dans pratiquement tout type d’équipement où la température joue un rôle.

Les thermistors de température NTC ont une relation négative entre la résistance et la température (R/T). La réponse négative relativement importante d’un thermistor NTC signifie que même de petites variations de température peuvent provoquer des changements significatifs dans leur résistance électrique. Cela les rend idéaux pour une mesure et un contrôle précis de la température.

Nous avons dit précédemment qu’un thermistor est un composant électronique dont la résistance dépend fortement de la température donc si nous envoyons un courant constant à travers le thermistor et mesurons ensuite la chute de tension à travers celui-ci, nous pouvons ainsi déterminer sa résistance à une température particulière.

Un thermistor NTC réduit sa résistance avec une augmentation de la température et se présente sous diverses résistances de base et courbes de température. Les thermistors NTC sont généralement caractérisés par leur résistance de base à température ambiante, c’est-à-dire 25^oC (77^oF), car cela fournit un point de référence pratique. Par exemple, 2k2Ω à 25^oC, 10kΩ à 25^oC ou 47kΩ à 25^oC, etc.

Une autre caractéristique importante d’un thermistor est sa valeur “B”. La valeur B est une constante matérielle déterminée par le matériau céramique dont il est fabriqué. Elle décrit le gradient de la courbe résistive (R/T) sur une plage de température particulière entre deux points de température. Chaque matériau de thermistor aura une constante matérielle différente et donc une courbe résistance/température différente.

Ainsi, la valeur B définira la valeur résistive du thermistor à un premier point de température ou point de base (qui est généralement à 25^oC), appelé T₁, et la valeur résistive du thermistor à un second point de température, par exemple 100^oC, appelé T₂.

Donc, la valeur B définira la constante matérielle du thermistor entre la plage de T₁ et T₂. C’est-à-dire B_T1/T2 ou B_25/100 avec des valeurs typiques de B pour thermistor NTC comprises entre environ 3000 et environ 5000.

Notez cependant que les deux points de température T₁ et T₂ sont calculés en unités de température Kelvin où 0^oC = 273.15 Kelvin. Ainsi, une valeur de 25^oC est égale à 25^o + 273.15 = 298.15K, et 100^oC est égale à 100^o + 273.15 = 373.15K, etc.

Donc, en connaissant la valeur B d’un thermistor particulier (obtenue à partir de la fiche technique du fabricant), il est possible de produire un tableau de température par rapport à la résistance pour construire un graphique approprié en utilisant l’équation normalisée suivante :

Équation du Thermistor

• Où :
• T₁ est le premier point de température en Kelvin
• T₂ est le second point de température en Kelvin
• R₁ est la résistance du thermistor à la température T₁ en Ohms
• R₂ est la résistance du thermistor à la température T₂ en Ohms

Exemple de Thermistor N°1

Un thermistor NTC de 10kΩ a une valeur “B” de 3455 entre la plage de température de 25^oC et 100^oC. Calculez sa valeur résistive à 25^oC et de nouveau à 100^oC.

Données fournies : B = 3455, R₁ = 10kΩ à 25^oC. Afin de convertir l’échelle de température des degrés Celsius, ^oC en degrés Kelvin, ajoutez la constante mathématique 273.15.

La valeur de R₁ est déjà donnée comme 10kΩ résistance de base, ainsi la valeur de R₂ à 100^oC est calculée comme suit :

Ce qui donne le graphique des caractéristiques des deux points suivant :

Notez que dans cet exemple simple, seuls deux points ont été trouvés, mais en général, les thermistors changent leur résistance de manière exponentielle avec les variations de température, de sorte que leur courbe caractéristique est non linéaire ; ainsi, plus de points de température sont calculés, plus la courbe sera précise.

Et ces points peuvent être tracés comme indiqué pour donner une courbe de caractéristiques plus précise pour le thermistor NTC de 10kΩ, qui a une valeur B de 3455.

Courbe de Caractéristiques du Thermistor NTC

Remarquez qu’il a un coefficient de température négatif (NTC), c’est-à-dire que sa résistance diminue avec l’augmentation des températures.

Utilisation des Thermistors pour Mesurer la Température

Alors, comment pouvons-nous utiliser un thermistor pour mesurer la température ? Espérons qu’à ce stade, nous réalisons qu’un thermistor est un dispositif résistif et qu’en vertu de la loi d’Ohm, si nous laissons passer un courant à travers lui, une chute de tension sera produite. Comme un thermistor est un type de capteur passif, c’est-à-dire qu’il nécessite un signal d’excitation pour son fonctionnement, tout changement dans sa résistance en raison de changements de température peut être converti en une variation de tension.

La manière la plus simple de le faire est d’utiliser le thermistor comme partie d’un circuit de diviseur de tension comme montré. Une tension d’alimentation constante est appliquée à travers le circuit série comprenant le résistor et le thermistor, avec la tension de sortie mesurée à travers le thermistor.

Si, par exemple, nous utilisons un thermistor de 10kΩ avec une résistance en série de 10kΩ, alors la tension de sortie à la température de base de 25^oC sera la moitié de la tension d’alimentation, soit 10Ω / (10Ω + 10Ω) = 0.5.

Lorsque la résistance du thermistor change en raison des variations de température, la fraction de la tension d’alimentation à travers le thermistor changera également, produisant une tension de sortie qui est proportionnelle à la fraction de la résistance totale entre les bornes de sortie.

Ainsi, le circuit de diviseur de tension est un exemple d’un convertisseur simple de résistance à tension où la résistance du thermistor est contrôlée par la température et la tension de sortie produite est proportionnelle à la température. Plus le thermistor devient chaud, plus la tension de sortie est faible.

Si nous inversions les positions de la résistance en série, R_S et le thermistor, R_TH, alors la tension de sortie changerait dans la direction opposée, c’est-à-dire, plus le thermistor devient chaud, plus la tension de sortie augmente.

Nous pouvons utiliser les thermistors NTC comme partie d’une configuration de détection de température de base utilisant un circuit en pont comme montré. La relation entre les résistors R₁ et R₂ définit la tension de référence, V_REF, à la valeur requise. Par exemple, si les résistances R₁ et R₂ ont la même valeur, la tension de référence sera égale à la moitié de la tension d’alimentation, comme auparavant. C’est-à-dire Vs/2.

À medida que la température, et donc la valeur résistive du thermistor change, la tension à V_TH changera également, soit plus élevée soit plus basse que celle à V_REF, produisant un signal de sortie positif ou négatif vers l’amplificateur connecté.

Le circuit amplificateur utilisé pour ce circuit de pont de détection de température de base pourrait agir comme un amplificateur différentiel pour haute sensibilité et amplification, ou un circuit déclencheur simple de Schmitt pour un commutateur ON-OFF.

Le problème de laisser passer un courant à travers un thermistor de cette manière est que les thermistors subissent ce que l’on appelle un effet de chauffage interne, c’est-à-dire que les pertes de puissance I²*R pourraient être suffisamment élevées pour créer plus de chaleur qu’il n’est possible de dissiper par le thermistor, affectant sa valeur résistive et produisant de faux résultats.

Ainsi, il est possible que si le courant à travers le thermistor est trop élevé, cela entraînerait une dissipation de puissance accrue et, à mesure que la température augmente, sa résistance diminue, provoquant un écoulement de courant supplémentaire, ce qui augmente encore la température, entraînant ce que l’on appelle l’explosion thermique. En d’autres termes, nous voulons que le thermistor soit chaud à cause de la température externe mesurée et non à cause de sa propre augmentation de chaleur.

La valeur de la résistance en série, R_S, ci-dessus doit être choisie pour fournir une réponse raisonnablement large sur la plage de températures attendues pour lesquelles le thermistor est susceptible d’être utilisé tout en maintenant le courant à une valeur sûre à la température la plus élevée.

Une manière d’améliorer cela et d’avoir une conversion plus précise de la résistance par rapport à la température (R/T) est d’alimenter le thermistor avec une source de courant constante. La variation de résistance peut être mesurée en utilisant un petit courant continu mesuré, ou CC, passé à travers le thermistor afin de mesurer la chute de tension de sortie produite.

Thermistor Utilisé pour la Suppression des Courants d’Inrush

Nous avons vu ici que les thermistors sont utilisés comme des transducteurs sensibles à la température résistive, mais la résistance d’un thermistor peut être modifiée soit par des variations de température externes, soit par des variations de température causées par un courant électrique qui les traverse, car après tout, ce sont des dispositifs résistifs.

La loi d’Ohm nous dit qu’un courant électrique passant à travers une résistance R, en raison de la tension appliquée, consomme de l’énergie sous forme de chaleur en raison de l’effet de chauffage I²*R. En raison de l’effet de chauffage interne du courant dans un thermistor, un thermistor peut changer sa résistance en fonction des variations du courant.

Les équipements électriques inductifs, tels que les moteurs, les transformateurs, l’éclairage à ballast, etc., souffrent de courants d’inrush excessifs lorsqu’ils sont d’abord mis “en marche”. Mais les thermistors connectés en série peuvent également être utilisés pour limiter efficacement tout courant initial élevé à une valeur sûre. Les thermistors NTC avec de faibles valeurs de résistance à froid (à 25^oC) sont généralement utilisés pour ce type de régulation de courant.

Thermistors Limitant les Courants d’Inrush

Les suppresseurs de courant d’inrush et les limiteurs de surtension sont des types de thermistors connectés en série dont la résistance tombe à une valeur très basse lorsqu’ils sont chauffés par le courant de charge qui les traverse. À la mise sous tension initiale, la valeur résistive à froid des thermistors (leur résistance de base) est relativement élevée, contrôlant le courant d’inrush initial vers la charge.

En raison du courant de charge, le thermistor chauffe et réduit sa résistance relativement lentement jusqu’à ce que la puissance dissipée à travers lui soit suffisante pour maintenir sa faible valeur résistive, la majorité de la tension appliquée se développant à travers la charge.

En raison de l’inertie thermique de sa masse, cet effet de chauffage prend quelques secondes durant lesquelles le courant de charge augmente progressivement plutôt qu’immédiatement, de sorte que tout courant d’inrush élevé est limité et l’énergie qu’il tire est réduite en conséquence. À cause de cette action thermique, les thermistors de suppression de courant d’inrush peuvent donc fonctionner très chaud dans leur état de faible résistance. Par conséquent, ils nécessitent une période de refroidissement ou de récupération une fois que l’alimentation est coupée, permettant ainsi à la résistance du thermistor NTC de se rétablir suffisamment pour la prochaine fois qu’elle est nécessaire.

La réponse d’un thermistor limitant le courant est donnée par sa constante de temps. C’est-à-dire, le temps nécessaire pour que sa résistance change de 63% (c’est-à-dire de 1 à 1/ε) du changement total. Par exemple, supposons que la température ambiante change de 0 à 100^oC, alors la constante de temps de 63% serait le temps nécessaire pour que le thermistor ait une valeur résistive à 63^oC.

Les thermistors NTC protègent contre des courants d’inrush indésirables, tandis que leur résistance reste négligeablement basse durant le fonctionnement continu fournissant de l’énergie à la charge. L’avantage ici est qu’ils peuvent gérer efficacement des courants d’inrush beaucoup plus élevés que les résistors fixes limitant de courant ayant la même consommation d’énergie.

Résumé des Thermistors

Nous avons ici vu dans ce tutoriel sur les thermistors que ce dernier est un transducteur résistif à deux bornes qui peut changer sa valeur résistive avec les variations de la température ambiante, d’où son nom de thermorésistor ou tout simplement “thermistor”.

Les thermistors sont des capteurs de température peu coûteux, faciles à obtenir, fabriqués à partir d’oxydes métalliques semi-conducteurs. Ils sont disponibles avec soit un coefficient de température négatif (NTC) de résistance, soit un coefficient de température positif (PTC) de résistance. La différence étant que les thermistors NTC réduisent leur résistance à mesure que la température augmente, tandis que les thermistors PTC augmentent leur résistance à mesure que la température augmente.

Les thermistors NTC sont les plus couramment utilisés (surtout le thermistor NTC de 10KΩ) et, avec une résistance série additionnelle R_S, peuvent être utilisés comme partie d’un circuit de diviseur de potentiel simple. Ainsi, les changements de résistance dus aux variations de température produisent une tension de sortie liée à la température.

Cependant, le courant de fonctionnement du thermistor doit être maintenu aussi bas que possible pour réduire les éventuels effets de chauffage interne. Si leur courant de fonctionnement est trop élevé, ils peuvent se réchauffer plus vite qu’ils ne peuvent dissiper la chaleur, créant ainsi de faux résultats.

Les thermistors sont caractérisés par leur résistance de base ainsi que leur valeur “B”. La résistance de base, par exemple, 10kΩ, est la résistance du thermistor à une température donnée, généralement 25^oC, donc est définie comme : R₂₅. La valeur B est une constante matérielle fixe qui décrit la forme de la pente de la courbe résistive en fonction de la température (R/T).

Nous avons également vu que, outre leur utilisation pour mesurer une température externe, les thermistors peuvent également être utilisés pour contrôler un courant électrique en raison de l’effet de chauffage I²R causé par le courant les traversant. En connectant un thermistor NTC en série avec une charge, il est possible de limiter efficacement tout courant d’inrush élevé.