Stel je voor dat de motor van je auto automatisch de brandstofinjectie aanpast om soepel te starten op ijskoude winsterochtenden, of dat je smartphone op intelligente wijze het scherm dimt om oververhitting tijdens snikhete zomerdagen te voorkomen. Deze schijnbaar alledaagse functies zijn afhankelijk van een cruciaal elektronisch component: de NTC-thermistor. Als een onzichtbare beschermer speelt deze een vitale rol bij temperatuurmeting en circuitbescherming.

NTC staat voor "Negative Temperature Coefficient" (negatieve temperatuurcoëfficiënt). Een NTC-thermistor is een weerstand waarvan de weerstand afneemt naarmate de temperatuur stijgt. Deze unieke eigenschap maakt hem ideaal voor temperatuurmeting en stroombegrenzing. In vergelijking met siliciumtemperatuursensoren en weerstandstemperatuurdetectoren (RTD's) bieden NTC-thermistors ongeveer vijf tot tien keer hogere temperatuurgevoeligheidscoëfficiënten, waardoor snellere en nauwkeurigere reacties op temperatuurveranderingen mogelijk zijn.

Doorgaans werken NTC-sensoren binnen een temperatuurbereik van -55°C tot +200°C. Vroege NTC-weerstanden hadden problemen vanwege hun niet-lineaire weerstand-temperatuurrelatie, wat precieze temperatuurmetingen in analoge circuits bemoeilijkte. Vooruitgang in digitale circuits heeft dit probleem echter opgelost door middel van interpolatie-opzoektabellen of vergelijkingen die typische NTC-curves benaderen.

In tegenstelling tot RTD's die van metaal zijn gemaakt, worden NTC-thermistors meestal gemaakt van keramiek of polymeren. Verschillende materialen geven verschillende temperatuurreacties en prestatiekenmerken.

• Temperatuurreactie: De meeste NTC-thermistors zijn geoptimaliseerd voor -55°C tot 200°C, wat de meest nauwkeurige metingen binnen dit bereik oplevert. Gespecialiseerde varianten kunnen functioneren in de buurt van het absolute nulpunt (-273,15°C) of in omgevingen die hoger zijn dan 150°C.
• Temperatuurgevoeligheid: Uitgedrukt als "% verandering per °C" of "% verandering per Kelvin", vertonen NTC-sensoren doorgaans waarden tussen -3% tot -6%/°C, afhankelijk van materialen en productieprocessen.
• Vergelijking met andere sensoren: NTC-thermistors presteren beter dan platina RTD's qua grootte, reactiesnelheid, schokbestendigheid en kosten. Hoewel ze iets minder nauwkeurig zijn dan RTD's, komen ze overeen met thermocouples in precisie. Thermocouples blinken echter uit in hogetemperatuurtoepassingen (tot 600°C). Bij lagere temperaturen bieden NTC-thermistors superieure gevoeligheid, stabiliteit en nauwkeurigheid met minimale extra circuits.
• Zelfverhittingseffect: Stroom die door een NTC-thermistor loopt, genereert warmte, wat de meetnauwkeurigheid beïnvloedt. Dit effect hangt af van de stroomsterkte, omgevingsomstandigheden (vloeistof/gas, aanwezigheid van stroming), temperatuurcoëfficiënt en oppervlakte. Deze eigenschap wordt vaak benut in detectoren voor de aanwezigheid van vloeistoffen, zoals tanksensoren.
• Warmtecapaciteit: Gemeten in mJ/°C, geeft de warmtecapaciteit de energie aan die nodig is om de temperatuur van een thermistor met 1°C te verhogen. Deze parameter is cruciaal voor toepassingen voor stroombegrenzing, omdat deze de reactiesnelheid bepaalt.

Het selecteren van een thermistor vereist het overwegen van de dissipatieconstante, de thermische tijdconstante, de weerstandswaarde, de weerstand-temperatuurcurve en de tolerantie. Vanwege de zeer niet-lineaire R-T-relatie gebruiken praktische systeemontwerpen benaderingsmethoden.

• Eerste-orde benadering: De eenvoudigste methode, ΔR = k · ΔT, waarbij k de negatieve temperatuurcoëfficiënt is. Effectief alleen binnen smalle temperatuurbereiken waar k vrijwel constant blijft.
• Beta-formule: Biedt ±1°C nauwkeurigheid tussen 0°C en +100°C met behulp van een materiaalconstante β: R(T) = R(T0) · e^(β(1/T - 1/T0)). Vereist tweepuntskalibratie, maar behoudt over het algemeen ±5°C nauwkeurigheid over het bruikbare bereik.
• Steinhart-Hart-formule: De gouden standaard sinds 1968: 1/T = A + B · ln(R) + C · (ln(R))^3. Coëfficiënten (A, B, C) worden in datasheets vermeld. Levert ±0,15°C nauwkeurigheid van -50°C tot +150°C, en tot ±0,01°C in bereiken van 0°C tot +100°C.
• De juiste benadering kiezen: De selectie hangt af van de computerbronnen en tolerantie-eisen. Sommige toepassingen zijn voldoende met eerste-orde benaderingen, terwijl andere mogelijk volledige kalibratie met opzoektabellen vereisen.

NTC-weerstanden worden vervaardigd met behulp van oxiden van platina, nikkel, kobalt, ijzer en silicium, in pure elementaire, keramische of polymere vormen. Productiemethoden classificeren ze in drie categorieën:

• Bead-thermistors: Leads van platina-legering direct gesinterd in keramische lichamen. Bieden snellere reactietijden, betere stabiliteit en hogere bedrijfstemperaturen dan schijf/chip-typen, maar zijn kwetsbaarder. Vaak ingekapseld in glas voor bescherming, met diameters variërend van 0,075–5 mm.
• Schijf- en chip-thermistors: Voorzien van gemetalliseerde oppervlaktecontacten. Grotere afmetingen vertragen de reactietijden, maar verbeteren de dissipatieconstanten, waardoor een hogere stroomverwerking mogelijk is. Schijven worden geperst uit oxidepoeders en gesinterd; chips worden gemaakt via tape casting. Typische diameters: 0,25–25 mm.
• In glas ingekapselde NTC-thermistors: Hermetisch afgesloten in glazen bollen voor hoge temperatuur (>150°C) of robuuste PCB-toepassingen. Verbeteren de stabiliteit en milieubestendigheid, met diameters van 0,4–10 mm.

NTC-thermistors dienen diverse doeleinden, waaronder temperatuurmeting, -regeling, -compensatie, vloeistofdetectie, stroombegrenzing en bewaking in de auto-industrie. Toepassingen worden gecategoriseerd op basis van de benutte elektrische eigenschappen:

• Weerstand-temperatuurkenmerken: Gebruikt bij temperatuurmeting/-regeling/-compensatie. Vereist minimale stroom om zelfverhitting te voorkomen.
• Stroom-tijdkenmerken: Toegepast in tijdvertragingen, stroombegrenzing en onderdrukking. Vertrouwt op thermische capaciteit en dissipatieconstante, waarbij door stroom veroorzaakte verwarming circuitveranderingen teweegbrengt.
• Spanning-stroomkenmerken: Gebruikt werkpuntverschuivingen als gevolg van omgevings-/circuitvariaties voor stroombegrenzing of temperatuurcompensatie/-meting.