NTC-weerstanden - Minder bekende halfgeleider van naderbij bekeken
Weerstanden met negatieve temperatuurscoefficient - soms wel thermistors genoemd - worden vervaardigd uit half geleider-oxyden. Hun weerstand vermindert naarmate de temperatuur, als gevolg van de omgevingstemperatuur of het gedissipeerde vermogen, toeneemt.
Zulks in tegenstelling met de positieve coefficient van de traditionele weerstandselementen (bijv. lichtlampen), die een zeer lage weerstand bezitten in koude toestand.
De toepassing van NTCweerstanden in elektrische apparaten, radio's en TV's zijn legio, zoals verderop nog zal blijken.
Uitvoering
De NTC-weerstanden worden than in talrijke vormen vervaardigd: schijven, miniatuurschijfjes, staafjes, blokjes van plastic met schroefbevestiging, miniatuurparels - al of niet in een glazen buisje - en miniatuurparels in een luchtledig glazen kolfje.
Deze verschillende vormen kunnen uiteraard belangrijke verschillen in hun karakteristieken vertonen.
Eigenschappen
Een belangrijke factor is natuurlijk de relatie tussen de temperatuur en de weerstandswaarde.
In afb. 1 wordt de karakteristiek afgebeeld van een NTC-weerstand (schijftype) met een nominale waarde van 130 Ω bij kamertemperatuur (To = 25 °C). Uit deze curve blijkt dat de temperatuurscoefficient afneemt bij stijgende temperatuur. De temperatuurscoefficient bedraagt nabij de nominale waarde:
Afb. 1 Weerstandsverloop als functie van de temperatuur.
Voor het volledige temperatuurgebied varieert de weerstand van 130 tot 3,5 Ω, een verhouding van 37 : 1. De gemiddelde temperatuurscoefficient blijkt dus:
Interessante gegevens biedt de stroom-spanningskarakteristiek volgens afb. 2. Uit de curve kan het verband tussen U, I en R direct worden afgelezen. De grootste gevoeligheid wordt bereikt bij het punt A, waarbij U = 12,1 V; I = 0,83 mA en R 7 14,5 kΩ. Het punt A ligt op het snijpunt met de 10 mW-lijn, wat overeenkomt met de gegevens U en I, namelijk U × I = 12,1 × 0,83 = 10 mW.
Afb. 2 Stroom-spanningskarakteristiek van een NTC-weerstand met een nominale waarde van 47 kΩ.
Dissipatiefactor
Een zeer belangrijk gegeven is de dissipatiefactor C, die de gevoeligheid van de NTC-weerstand bepaalt. Hiermee wordt het gedissipeerde vermogen bedoeld dat nodig is om een temperatuursstijging van 1 °C te bekomen. In afb. 2 kan de dissipatiefactor eveneens worden afgelezen. Op punt A bedraagt de temperatuur 65 °C, er is dus 10 mW nodig om de temperatuur 65 - 25 = 40 °C te laten stijgen. Bijgevolg:
In formule:
In de praktijk kan de dissipatiefactor een waarde hebben die ligt tussen 25 mW/°C voor een type van 1/2 W met schroefbevestiging (bijv. type 2322 642 2 van Philips) en 0,025 mW/°C voor een miniatuurparel in luchtledig glazen kolfje (bijv. type RA53 van ITT).
In afb. 3 kan het verschil worden afgelezen tussen twee types met respectievelijk C = 18 mW/°C en C = 0,025 mW/°C.
Afb. 3 Vergelijking van twee verschillende NTC-weerstanden.
Thermische tijdconstante
Een laatste gegeven betreft de thermische tijdconstante, dit is de tijd die nodig is om een evenwichtstoestand te bereiken:
H is het calorisch vermogen in joule/°C.
Meestal wordt de thermische tijdconstante vermeld als de tijd die de NTC-weerstand nodig heeft om na bedrijf of te koelen tot de nominale temperatuur To (25 °C). Deze thermische constante ligt in de praktijk tussen de 6 en 240 seconden.
Praktische toepassingen
Uit het voorgaande kan worden afgeleid dat de toepassingsgebieden van NTC-weerstanden verschillen naar gelang welke eigenschappen worden gebruikt.
Hierbij kunnen we drie groepen onderscheiden:
- Weerstand als functie van de temperatuur; R = f(T).
- Weerstand als functie van de tijd; R = f(t).
- Negatieve waarde van de temperatuurscoefficient; U = f(I).
Weerstand als functie van de temperatuur
De meest voor de hand liggende toepassing is vanzelfsprekend het meten van de temperatuur. Hier-toe wordt de NTC-weerstand in een brugschakeling opgenomen (zie afb. 4). Is de brug in evenwicht voor een bepaalde temperatuur, dan zal de meter uitslaan wanner de weerstand van de NTC zich wijzigt ingevolge temperatuursveranderingen. Deze toepassing wordt onder andere gebruikt voor het me-ten van de temperatuur van het koelwater in auto's.
Afb. 4 Brugschakeling voor het meten van de temperatuur.
NTC-weerstanden kunnen ook zeer goed worden gebruikt voor automatische temperatuursregelingen (thermostaten). In vergelijking met bi-metaalregelaars zijn de NTC-weerstanden nauwkeuriger en betrouwbaarder. De verschilspanning die wordt opgewekt in de brugschakeling wordt via een versterker naar een relaisschakeling gevoerd, die het gestuurde apparaat in- en uitschakelt (zie afb. 5).
Afb. 5 Sturen van een relais met behulp van een NTC-brugschakeling.
Thermische compensatie
Spanningsstabilisatie
Indien de uitgangsspanning van een generator afhankelijk is van de temperatuur, kan ze worden gestabiliseerd met een van de beide schakelingen van afb. 6, al naar gelang de spanning toeneemt of afneemt met stijgende temperatuur.
Afb. 6 Serie- en parallelstabilisatie, respectievelijk schakeling A en B.
Thermische compensatie van transistoren
Hierbij wordt de ruststroom van vermogenstransistoren in de eindtrap beveiligd. Als voorbeeld is een Philips-ontwerp voor een auto-radioversterker van 6 W met BD433 en BD434 in de eindtrap gekozen (afb. 7). De NTC-weerstand bevindt zich in thermisch contact met de eindtransistoren (samen op een koelplaat).
Afb. 7 Beveiliging van eindtransistoren.
Wanner de NTC-weerstand wordt verwarmd, als gevolg van toenemende dissipatie in de eindtransistoren, zal zijn weerstand afnemen, zodat de ruststroom van de BC328 via de NTC-weerstand een kleinere spanningsval zal veroorzaken. Bijgevolg zal de ruststroom van de eindtransistoren terugkeren tot zijn oorspronkelijke waarde.
Weerstand als functie van de tijd
Voor bepaalde toepassingen moet de voedingsspanning enkele seconden na inschakelen worden aangeboden. Hiervoor kan het eenvoudige schema van afb. 8 worden toegepast.
Afb. 8 Vertraagde inschakeling van de voedingsspanning.
Sommige schakelingen dienen geleidelijk onder spanning te worden gebracht. Een gebruiksvoorbeeld geeft afb. 9.
Afb. 9 Langzaam oplopende voedingsspanning.
Negatieve waarde van de temperatuurscoefficient
Compensatie van een positieve coefficient
Op dit gebied worden NTC-weerstanden toegepast in de afbuigspoelen van TV-beeldbuizen. On-der de invloed van de ontwikkelde warmte verhoogt de weerstand van de afbuigspoelen, waardoor de beeldhoogte inkrimpt. Daarom wordt een NTC-weerstand in de afbuigspoelen ondergebracht, die de afbuigstroom corrigeert.
Spanningsstabilisatie
Door combinatie van een vaste weerstand en een NTC-weerstand kan een redelijke stabilisatie worden verkregen binnen een bepaald stroomgebied (zie afb. 10). De waarde van de vaste weerstand hangt uiteraard of van de nominale stroomsterkte.
Afb. 10 Spanningsstabilisatie door middel van een vaste weerstand en een NTC-weerstand.
Stabilisatie van de tegenkoppeling bij RC-oscillatoren
Hierbij wordt het "vastlopen" van de oscillator belet door het opnemen van een NTC-weerstand in de tegenkoppelingslus (zie afb. 11). Een typisch voorbeeld is te vinden in de beschrijving van een If-generator in Radio Bulletin, oktober 1982. Hierbij wordt de NTC-weerstand op punt A van de grafiek in afb. 2 ingesteld. Alleen ultra-gevoelige types (miniatuurparels in luchtledig glazen kolfje) komen hiervoor in aanmerking, omdat ze een uiterst kleine dissipatiefactor hebben en niet door de omgevingstemperatuur worden beinvloed.
Afb. 11 Stabilisatie van een oscillator.
Motortemperatuurmeter voor in de auto
Als praktisch voorbeeld volgt nu de beschrijving van een temperatuurmeter voor de motortemperatuur van een auto. Om de temperatuur van de koelvloeistof in de radiateur te meten, dient de NTC-weerstand in de radiateur te worden ondergebracht en de verbindingsdraden door de vuldop te worden gevoerd. Dit kan nogal wat praktische problemen meebrengen. Een tweede oplossing bestaat erin, De NTCweerstand te monteren op de aftapplug onderaan het carter. Daartoe wordt een gaatje geboord in het midden van de aftapplug. Een boutje met moertje wordt hierin gelsoleerd aangebracht. Binnenlangs wordt een draad van de NTCweerstand aan het boutje verbonden. De andere draad gaat naar massa. Het geheel dient natuurlijk volledig hermetisch te sluiten! Afb. 12 geeft een doorsnede.
Afb. 12 Montage van de NTC-weerstand op de aftapplug van het carter.
Een andere methode om de temperatuur van de olie te meten bestaat er in de NTC-weerstand (type 2322 670 90023, miniatuurbuisje, doorsnede 2,6 mm, lengte 7,8 mm) aan de peilstok te bevestigen, wat ook wel wat problemen kan meebrengen.
Tenslotte is het ook mogelijk een NTC-weerstand (type 2322 642 2) met schroefbevestiging eenvoudigweg op het motorblok te schroeven. Er moet wel een plaats worden gekozen die zoveel mogelijk tegen de rijwind is beschermd (dus zo dicht mogelijk achter het motorblok). Dit systeem heeft vele jaren trouwe dienst verricht op een luchtgekoelde motor. Afb. 13 geeft het schema van de temperatuurmeter. De onderdelen worden op een printje (zie afb. 14 en 15) bevestigd en het geheel in een goed gesloten doosje geplaatst (bijv. Bimbox 2002 of Teko P1). Het doosje wordt ergens op een veilige plek onder de motorkap bevestigd en met twee draden met de mA-meter op het dashboard verbonden. De meter moet natuurlijk van een aangepaste schaal worden voorzien.
Afb. 13 Principeschema van de temperatuurmeter.
Afb. 14 Print, schaal 1 : 1.
Afb. 15 Componentenopstelling.
IJking
Door middel van R2 en R7 kunnen begin- en eindpunt van de schaal worden ingesteld. Normaal kan dit 20 en 120 °C zijn. Vermits de schaal niet volledig lineair verloopt, kan het beginpunt eventueel wat hoger worden gelegd (40 °C bijvoorbeeld), zodat een betere afleesbaarheid wordt verkregen. IJking kan gebeuren bij 20 °C (kamertemperatuur) en 100 °C (kokend water). Een tussenpunt wordt verkregen door de lichaamstemperatuur (!) van 37 °C, zodat een ijkcurve kan worden opgesteld. Deze wordt vervolgens op de meterschaal overgebracht.
Literatuur
- Resistances CTN (MBLE-publicatie nr. 888 van 1958).
L. Boullart.