Thermistances NTC : comment fonctionnent les capteurs de température négatifs

Ce que signifie réellement le NTC

NTC est l'abréviation de coefficient de température négatif. C'est une propriété du matériau où la résistance électrique diminue à mesure que la température augmente. C'est ça C'est un concept simple, mais le diable réside dans la façon dont vous l'utilisez.

La plupart des ingénieurs rencontrent les thermistances NTC à deux endroits : la mesure de la température et la limitation du courant d'appel. Le premier est ce à quoi vous pensez probablement lorsque vous entendez « thermistance ». Le second est souvent invisible : il repose silencieusement sur un circuit imprimé d'alimentation et protège contre les fortes surtensions lorsque vous allumez un appareil pour la première fois.

La raison pour laquelle le NTC domine son opposé, le PTC (coefficient de température positif), est la sensibilité. Une thermistance NTC peut modifier la résistance d'un ordre de grandeur sur une plage de 50 °C. Cette réactivité les rend suffisamment économiques, rapides et précis pour la plupart des applications sans avoir besoin d'un circuit intégré de température dédié.

Comment fonctionnent réellement les thermistances NTC

Les thermistances NTC sont généralement fabriquées à partir d'un mélange céramique fritté d'oxydes métalliques : dioxyde de manganèse, oxyde de nickel, oxyde de cobalt et matériaux similaires. Lorsque vous chauffez le matériau, les porteurs de charge (électrons) gagnent de l'énergie et se déplacent plus librement dans la structure cristalline. Plus de porteurs, moins de résistance.

La relation entre la résistance et la température n'est pas linéaire. Contrairement à un RTD en platine (qui est à peu près linéaire), la courbe d'une thermistance NTC est exponentielle. Cette non-linéarité est à la fois une caractéristique et un piège.

Les mathématiques qui le sous-tendent

Le modèle le plus courant pour le comportement du NTC est l'équation de Steinhart-Hart :

où $T$ est la température absolue en Kelvin, $R$ est la résistance en ohms et $A$, $B$ et $C$ sont les constantes du matériau fournies par le fabricant.

Pour des estimations rapides ou lorsque vous ne disposez que de spécifications de base, le modèle bêta le plus simple fonctionne :

Ici, $R_0$ est la résistance à la température de référence $T_0$ (généralement 25 °C), et $\beta$ est le coefficient bêta de la thermistance, généralement de 3000 à 4500 K pour les appareils courants.

Le modèle Beta est plus simple mais moins précis sur de larges plages de températures. Steinhart-Hart demande plus de travail mais gère de 0 °C à 100 °C avec une excellente précision si vous avez les constantes.

Un exemple concret : mesurer la température ambiante

Supposons que vous construisiez un capteur domotique à l'aide d'une thermistance 10 kΩ NTC. La fiche technique vous donne les informations suivantes :

• Résistance à 25°C : 10 kΩ
• Coefficient bêta : 3950 K
• Précision : ± 1 °C typique

Vous mesurez la résistance de la thermistance à 12,5 kΩ. Quelle est la température réelle ?

En utilisant le modèle bêta :

Il fait donc environ 20°C dans votre pièce. Pas mal. Pour vérifier cela, c'est logique : la résistance est passée de 10 kΩ à 12,5 kΩ, ce qui signifie que la température est tombée en dessous de 25 °C. Les calculs se vérifient.

Pour le code de production ou lorsque vous avez besoin d'une température supérieure à ± 1 °C, utilisez l'équation de Steinhart-Hart avec trois points d'étalonnage. La plupart des fiches techniques modernes incluent les coefficients.

Lecture du diviseur de tension

Vous ne mesurez pas la résistance directement dans un microcontrôleur. Vous utilisez un diviseur de tension. Câblez votre thermistance en série avec une résistance fixe, appliquez une tension connue et mesurez la tension aux bornes de la thermistance à l'aide d'un ADC.

Réorganisation pour résoudre le $R_{NTC}$ :

Choisissez $R_{fixed}$ proche de la résistance de la thermistance au milieu de votre plage de mesure. Si vous mesurez de 0 à 50 °C avec une thermistance de 10 kΩ @ 25°C, utilisez une résistance fixe de 10 kΩ . Cela vous donne la meilleure résolution ADC.

Erreurs courantes

Auto-échauffement

Le plus gros piège. Le courant traversant la thermistance génère de la chaleur par effet Joule : $P = I^2 R$. Cela augmente la température de la thermistance au-dessus de la température ambiante réelle, ce qui perturbe votre lecture.

Pour une thermistance 10 kΩ avec 1 mA qui la traverse, la dissipation est de $P = (0.001)^2 \times 10000 = 0.01 \text{ W} = 10 \text{ mW}$. Cela peut sembler faible, mais si la masse thermique de la thermistance est faible et qu'elle reste dans de l'air immobile, même 10 mW peuvent provoquer une erreur de 1 à 2 °C.

Maintenez votre courant de mesure en dessous de 100 µA si possible. Utilisez une valeur de résistance fixe plus élevée et acceptez une résolution ADC légèrement inférieure, ou utilisez une entrée ADC mise en mémoire tampon.

Ignorer la non-linéarité

Les ingénieurs supposent parfois que la thermistance se comporte de manière linéaire et essaient d'utiliser une simple table de correspondance tension-température avec des points équidistants. L'erreur s'aggrave rapidement aux extrémités de la fourchette. Utilisez Steinhart-Hart ou au moins le modèle bêta. Une courbe d'étalonnage en 10 points vaut mieux que de prétendre qu'elle est linéaire.

Mauvaise température de référence

Le coefficient bêta n'est précis que près de son point de référence. Si votre fiche technique indique $\beta$ à 25 °C et que vous mesurez à 0 °C ou 80 °C, l'erreur peut être de 2 à 5 %. Utilisez les coefficients de Steinhart-Hart si vous avez besoin de précision en dehors d'une bande étroite.

Constante de temps thermique

Les thermistances NTC ont une masse thermique. Une thermistance 1206 SMD typique met 10 à 20 secondes pour atteindre l'équilibre thermique dans l'air calme. Si vous échantillonnez toutes les 100 ms, vous poursuivez une cible en mouvement. Attendez suffisamment longtemps entre les lectures ou utilisez un filtre passe-bas sur vos échantillons ADC. La plupart des ingénieurs ignorent cette étape et se demandent ensuite pourquoi leur lecture de température dérive.

Ne pas prendre en compte la quantification ADC

Si votre ADC est de 10 bits et que le diviseur de tension de votre thermistance ne couvre que 2 V sur un rail de 3,3 V, chaque pas du CAN est d'environ 3,2 mV. Selon les valeurs fixes de votre résistance et de votre thermistance, cela peut correspondre à 0,2 °C par pas. Lisez la fiche technique et faites le calcul. S'il est grossier, utilisez un ADC 12 bits ou ajustez votre diviseur de résistance.

Limitation du courant d'appel avec NTC

Il existe une deuxième utilisation majeure des thermistances NTC qui mérite d'être mentionnée : les alimentations électriques à démarrage progressif. Lorsque vous mettez un appareil sous tension pour la première fois, les condensateurs d'entrée apparaissent sous forme de court-circuit. Le courant d'appel peut être 10 à 50 fois supérieur au courant en régime permanent, endommageant des composants ou déclenchant des disjoncteurs.

Une thermistance NTC placée en série avec l'entrée fait office de limiteur de courant. À température ambiante, sa résistance est élevée, ce qui limite le courant. Au fur et à mesure que le courant circule, la thermistance s'échauffe (auto-échauffement), sa résistance diminue et un courant en régime permanent circule. Au moment où les condensateurs sont chargés, la thermistance est chaude et présente une faible résistance, de sorte que la chute de tension est minimale.

Cette méthode est passive, ne nécessite aucune logique de contrôle et ne coûte que quelques centimes. Le compromis est une dissipation de puissance dans la thermistance elle-même et un transitoire de mise sous tension légèrement plus lent. Pour la plupart des appareils électroniques grand public, c'est le bon choix.

Valeurs typiques et sélection

Valeurs communes de la thermistance NTC :

• 10 kΩ @ 25 °C : le plus courant pour la détection de température à usage général. Largement disponible, bonne sensibilité, résolution ADC raisonnable avec résistances diviseuses standard.
• 100 kΩ @ 25 °C : impédance plus élevée, moins d'auto-échauffement, mais nécessite une résistance fixe plus élevée et une disposition des circuits imprimés plus soignée pour éviter toute prise de bruit.
• 1 kΩ @ 25 °C : impédance plus faible, courant plus élevé, plus d'auto-échauffement mais interface ADC plus simple. Utilisé lorsque vous souhaitez minimiser le bruit ou disposer d'une entrée ADC à faible impédance.

Les coefficients bêta vont généralement de 3 000 K (courbe peu profonde, meilleure linéarité) à 4 500 K (courbe abrupte, sensibilité plus élevée). Pour la mesure de la température, 3950—4050 K est le point idéal.

La précision dépend de la qualité de l'étalonnage. Une thermistance nue est typique de ±5 °C. Avec un étalonnage en un point à 25 °C, vous pouvez atteindre ±2 °C. Un étalonnage en deux points (eau glacée et eau bouillante) vous permet d'atteindre ±1 °C. Steinhart-Hart avec trois coefficients de la fiche technique : ±0,5 °C sur une plage de 50 °C.

Essayez-le vous-même

Si vous travaillez avec une thermistance NTC et que vous devez convertir une mesure de résistance en température, le Calculateur de température de thermistance NTCgère à la fois le modèle bêta et les équations de Steinhart-Hart. Entrez les valeurs de votre fiche technique, mesurez la résistance et obtenez la température instantanément. Aucun calcul mental n'est requis.

Pour la conception de la limitation du courant d'appel, consultez le Calculateur du limiteur de courant d'appel (NTC)pour dimensionner la thermistance et prévoir la dissipation de puissance.