I Trasduttori NTC o TERMISTORI

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Alessio Romagnoli
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1 I Trasduttori NTC o TERMISTORI I termistori NTC sono sensori realizzati mediante semiconduttori costruiti con ossidi di metalli(ferro, cobalto e nichel) opportunamente drogati. Nel termistore NTC la resistenza del sensore diminuisce esponenzialmente all aumentare della temperatura secondo una legge esponenziale decrescente. R T T T 1 1 ( T ) R exp B R exp B T T T T R T (T) é la resistenza del termistore alla temperatura generica T; R é la resistenza del termistore alla temperatura di T 2 C; B è una costante dimensionale caratteristica del termistore e in base al tipo di termistore preso in considerazione è compresa nell intervallo [2: 55] Kelvin T é la temperatura di riferimento fornita dal costruttore espressa in K infatti T 2 C K. Come si può notare dall espressione della dipendenza della resistenza con la temperatura la legge non é lineare ma esponenziale decrescente al crescere della temperatura. Affinché si possa rendere tale dipendenza della resistenza con la temperatura lineare é necessario linearizzare tale relazione. Il costruttore fornisce una formula empirica che impone il calcolo di una resistenza R L detta di linearizzazione. pag.1

R T T T 1 1 ( T ) R exp B R exp B T T T T R T (T) é la resistenza del termistore alla temperatura generica T; R é la resistenza del termistore alla temperatura di T 2 C; B è una costante dimensionale

2 B 2 T medio R L R ( T medio ) parallelo B + 2 T medio B + 2 T maedio R L R ( T medio ) serie B 2 T medio R L é la resistenza di linearizzazione. R(T medio ) é il valore della resistenza alla temperatura media T max + T T media 2 min B é la costante del sensore NTC in Kelvin. pag.2

3 Il circuito a destra realizza la conversione temperatura tensione e la linearizzazione é realizzata mediante la resistenza R L. Il ponte di Wheastone realizza la trasformazione temperatura tensione mentre il ruolo di R 1 serve per bilanciare il ponte. A sinistra sono riportati gli andamenti della resistenza con la temperatura per due NTC aventi B diversi ed il circuito di condizionamento a ponte. Progetto Si progetti un circuito di condizionamento di un termistore NTC K25 1k che fornisca una tensione d'uscita di O V + 5 V per variazioni di temperatura comprese nel range 2 C + 8 C. Le caratteristiche elettriche della NTC sono: potenza a 6 C 4 mw; temperatura di riferimento T 2 C; pag.3

A sinistra sono riportati gli andamenti della resistenza con la temperatura per due NTC aventi B diversi ed il circuito di condizionamento a ponte.

4 campo di temperatura [ 25 : 1] C. Utilizzando l espressione della dipendenza della resistenza dalla temperatura si possono tabulare i valori assunti dal sensore NTC nel campo di funzionamento per incrementi di temperatura T costanti. T[ C] K25 1K Ad esempio per T 1 C si trovano i valori riportati nella tabella 2.1. Utilizzando la relazione di linearizzazione si può facilmente calcolare la resistenza R L 23,7Ω (valore commerciale 22Ω). Vediamo il circuito di condizionamento. II circuito di condizionamento comprensivo di resistenza di linearizzazione è riportato in figura seguente. L'integrato LM336 5V fornisce la tensione di riferimento di 5V. L'amplificatore operazionale di potenza alimenta il ponte di Wheatstone ed eroga l'opportuna intensità di corrente assorbita dal ponte, l'amplificatore per strumentazione AD524 è utilizzato per definire il fattore di scala. Poiché la massima intensità di corrente assorbita dalla NTC si ha quando è T 8 C, per evitare effetti di autoriscaldamento, si ipotizza di far dissipare al sensore una potenza di 5 mw. Se la tensione di alimentazione è uguale a 5 V, la potenza dissipata dalla NTC è: pag.4

T[ C] 2 3 4 5 6 7 8 K25 1K 1 671 463 326 235 172 129 Ad esempio per T 1 C si trovano i valori riportati nella tabella 2.1. Utilizzando la relazione di linearizzazione si può facilmente calcolare la resistenza R L 23,7Ω (valore commerciale 22Ω).

5 5 5 I NTC ( 8 C ) 14 ma La potenza dissipata dal NTC NTC NTC termistore vale: P R I 129 ( 14 1 ) 25 mw < mw Poiché la tensione d uscita V dell AD524 deve essere uguale a 5V e quella d ingresso V AB (8 C)2,25V, il guadagno G e la resistenza R G sono rispettivamente uguali a: G V V ( 8 C ) AB G 5 2, 25 G 2, 22. Essendo per L AD R 2 2 K Ω 4 1 G si ha: R R R R G 32, 75 K Ω (val. comm. 27KΩ+1KΩ) G 1 2, 25 1 G pag.5

il guadagno G e la resistenza R G sono rispettivamente uguali a: G V V ( 8 C ) AB G 5 2, 25 G 2, 22.

6 Altro esempio Med ian te gl i NTC p o ss o n o es ser e r eali zzat i i m is ur at or i di fl u ss o (por tat a) c om e i n di cat o n ell a fi g ur a s egu ent e. Un a r esi st enza p er cor sa da c or r en te r i s cald a deb olm ent e il fl ui d o: a f l ui do f er m o, en tr am bi gli NTC sen to n o l a s tess a t em per at ur a e il po n te è b il an ci ato ; q uan d o il fl ui d o è i n m o vimen t o, i l tr as p or t o di en er gi a ter m i c a è m ag gi or e nell a d irezione d el m o t o, il r esi s tor e NTC a vall e si s c al da m ag g ior m ent e di q uel l o a m o nt e e il p o nt e si s bi lan ci a. La t ens i on e d i us ci ta è, en tr o cer ti lim it i, pr op or zi on al e al fl u ss o. pag.6

n te è b il an ci ato ; q uan d o il fl ui d o è i n m o vimen t o, i l tr as p or t o di en er gi a ter m i c a è m ag gi or e nell a d irezione d el m o t o, il r esi s tor e

7 I termistori PTC Tra i termistori ricordiamo anche gli PTC(positive temperature coefficient) che hanno un coefficiente positivo per i quali al crescere della temperatura si determina un aumento della resistenza. Riportiamo nella figura seguente l andamento di un PTC in confronto con l andamento di un NTC e di termoresistenza. Si nota come il PTC e l NTC abbiano una sensibilità nettamente superiore alla sensibiltà della termoresistenza che necessita dunque di grosse amplificazioni. pag.7

Riportiamo nella figura seguente l andamento di un PTC in confronto con l andamento di un NTC e di termoresistenza.

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