Os NTCs são componentes de extrema utilidade em projetos que envolvem o controle de temperaturas ou ainda sua medida numa faixa mais estreita. Diversos tipos são disponíveis no comércio, atendendo uma ampla faixa de usos. No entanto, para usar estes componentes é preciso conhecer alguns aspectos importantes de suas características que serão abordados neste artigo.
NTC é a abreviação de Negative-Temperature Coeficient, utilizada para designar materiais que diferentemente dos metais comuns e de outros materiais, quando usados em componentes, estes componentes, quando aquecidos tem sua resistência diminuída. A figura 1 mostra o que ocorre,
Os NTCs comuns são elementos de uma família maior, a dos Termistores que também inclui os PTCs, ou seja, Positive Temperature Coeficient, que são componentes cuja resistência aumenta com a temperatura.
Estes componentes já foram abordados em outros artigos nossos. Os NTCs comuns são fabricados de uma mistura de semicondutores policristalinos, como o cromo (Cr), manganês (Mn), ferro (Fe), Cobalto (Co) e níquel (Ni).
O processo de fabricação dos NTCs é semelhante ao de fabricação das cerâmicas.
Depois de uma mistura intensiva e do acréscimo de um agregante plástico, a massa é moldada na forma desejada, por extrusão para obter tarugos ou por pressão para se obter discos e aquecida a uma temperatura suficientemente alta, para sinterizar os óxidos constituintes.
Depois, os contatos são colocados queimando-se os elementos e utilizando-se pasta de prata.
Muitos tipos de encapsulamentos são utilizados conforme sugere a figura 2, dependendo da aplicação final do, componente.
Os tipos miniatura, de menor capacidade térmica e maior prontidão são usados na medida de temperatura (NTCs termoelétricos), enquanto que os maiores são usados no controle de dispositivos diversos, por exemplo em alarmes e termostatos.
CARACTERÍSTICAS
Para se utilizar um NTC numa aplicação, devemos levar em conta suas características.
Tipos comuns são apresentados com resistências nominais que variam entre fração de ohm e 1 Megohm.
Esta é a primeira característica a ser observada num NTC, a sua resistência que é expressa para uma determinada temperatura, normalmente 25°C.
Para sabermos como varia a resistência de um determinado tipo, temos duas possibilidades:
a) Dar a resistência numa segunda temperatura, normalmente 85°C de modo a podermos estabelecer um gráfico que expresse a variação e, portanto, nos permita determinar a resistências em qualquer outro ponto, por extrapolação ou interpolação, conforme o caso, (figura 3).
Lembramos que os NTCs são indicados para operar numa faixa tipicamente entre -40 e+125°C.
b) Dar a fórmula ou expressão matemática que permita calcular com boa precisão a resistência numa determinada temperatura.
Esta fórmula é:
R1 / R2 = e(B/T1 – B/T2)
B = [ Ln * ( R1 / R2 ) / (1/T1 – 1/T2) ]
Onde:
R1 = Resistência inicial
R2 = Resistência final
T1 = Temperatura inicial
T2 = Temperatura final
B = Constante do NTC
Na maioria dos folhetos de informações sobre as características de um termistor o valor de B é dado, o que facilita a determinação da resistência em qualquer temperatura.
Um outro ponto importante a ser considerado no cálculo de um circuito com NTC é que o calor gerado pelo próprio componente, pode afetar seu funcionamento A.
O que ocorre é que sendo uma resistência, a circulação de corrente gera calor e este calor afeta sua própria resistência num processo de realimentação.
Esta característica é justamente aproveitada em certas aplicações para compensar a corrente num circuito, conforme veremos, mas se vamos usar o componente no controle de um circuito ele deve sentir a corrente no circuito e não em si mesmo!
Na figura 4 temos uma curva em que mostramos a tensão em função da corrente num NTC.
Para pequenos valores de corrente, observamos que a curva se mantém direta (reta), seguindo uma linha isorresistiva, o que significa na realidade uma linha isotérmica o que nos leva a concluir que a potência transformada em calor é pequena demais para afetar a temperatura do componente.
No entanto, para correntes maiores, a temperatura aumenta e pelo Efeito Joule (P = Vx l), ocorrem alterações.
O equilíbrio é atingido quando a potência dissipada pelo NTC está em equilíbrio com a potência aplicada a ele.
Pode ser observado que, como a potência dissipada depende do meio ambiente, o equilíbrio também depende dele e com isso a característica V x l.
A curva mostrada na figura 4 foi obtida numa temperatura ambiente constante, depois de haver sido encontrado o estado de equilíbrio.
Um outro ponto importante a ser considerado num projeto é a velocidade de resposta.
O NTC demora um certo tempo, que depende de suas dimensões, formato e material, para alcançar o equilíbrio térmico e, portanto, para fornecer um sinal para o circuito.
Para os projetos que exigem prontidão como, por exemplo, termômetros, o NTC deve ser de pequenas dimensões, para que o equilíbrio térmico seja alcançado muito rapidamente.
Damos a seguir alguns circuitos básicos da aplicação dos NTCs baseados no Data Handbook de Varistores, Termistores e outros componentes da Philips Components de 1989.
APLICAÇÕES
Na figura 5 damos um circuito em ponte, para utilização de NTCs termométricos na medida de temperatura.
Este circuito é indicado para termômetros médicos, e também industriais, onde se necessita de precisão.
Para medida de temperatura em automóveis, temos o circuito diferencial mostrado na figura 6.
O indicador é do tipo diferencial e o sistema pode ser usado para medir a temperatura da água.
O sistema mostrado na figura 7 é para o acionamento de um relé numa determinada temperatura.
O ajuste é feito no resistor variável e a configuração em ponte garante uma melhor precisão.
O controle de nível de um líquido num reservatório pode ser feito em função de temperatura, utilizando-se um NTC, conforme mostra a figura 8.
O contato com o líquido eleva a temperatura do NTC, o que provoca um aumento de corrente na bobina do relé, e com isso o seu acionamento.
A velocidade de escoamento de fluídos ou gases pode ser medida em função da temperatura em função de um NTC, que é aquecido por elemento apropriado, conforme mostra a aplicação da figura 9.
A diferença de temperatura entre T1 e T2 permite calcular a velocidade do fluído ou líquido.
O circuito da figura 10 é uma ponte sensora de temperatura, com circuito amplificador.
Nesta aplicação o amplificador funciona como amplificador diferencial e o ganho é controlado pelo resistor de realimentação R.
A sensibilidade deste circuito é muito alta e a corrente que pode ser prevista no sensor muito baixa.
Na figura 11 temos um sensor de temperatura, onde o amplificador operacional atua como um disparador de Schmitt, de modo a fornecer uma transição muito rápida na saída, quando a temperatura programada for atingida.
Observa-se urna histerese, o que significa que, a transição positiva não ocorre na mesma temperatura em que a negativa.
Um termostato transistorizado simples tem sua configuração básica mostrada na figura 12.
Os valores dos componentes dependem da sensibilidade do relé e da resistência do NTC na temperatura em que se desejar o disparo.
Na figura 13 temos um circuito de oscilador controlado pela temperatura, usando como base um circuito integrado 555.
Este circuito pode ser usado como base para um conversor temperatura/freqüência, para medidas remotas de temperatura, já que na transmissão não existem alterações da grandeza que interessa.
Os valores dos componentes dependem da faixa de freqüência a ser varrida, lembrando que os limites mínimos para cada um: os resistores inclusive o NTC não podem ter valores inferiores a 1 k ohms e o capacitor não pode ser menor que 100 pF.
O diagrama de blocos da figura 14 mostra uma aplicação em que temos uma ponte sensora de temperatura com offset de 0°C e um conversor analógico/digital. Neste circuito temos uma variação linear de tensão no ponto A com a temperatura.
A tensão no ponto B é iguala do ponto A na temperatura de 0°C.
Na figura 15 temos as formas de onda do circuito.
O circuito da figura 16 mostra o uso de um NTC na proteção de diodos de silício em circuitos de fontes de alimentação.
Circuitos de tempo para relés podem ser conseguidos em função da inércia dos NTCs.
Na figura 17 temos um circuito deste tipo.
Ao ser estabelecida a alimentação a corrente aquece lentamente o NTC que diminui sua resistência até o ponto em que a corrente se torne suficiente para acionar o relé.
Uma parada obrigatória temporizada para trens elétricos de brinquedo (ferromodelismo), usando um NTC é mostrada no circuito do figura 18.
Quando o trem atinge o ponto de interrupção da linha de alimentação, o motor será ligado em série com o NTC.
Nestas condições ele se aquece, e inicialmente com uma resistência muito alta para impedir o movimento, atinge o ponto em que ocorra nova partida.
Na aplicação da figura 19 temos a compensação de ganho de um circuito, por meio de realimentação térmica, obtida com a ajuda de um NTC.
A compensação para a influência de temperatura ambiente num circuito amplificador de alta frequência pode ser conseguida com o circuito da figura 20.
Nos televisores podemos ter uma estabilização com a temperatura num circuito de controle automático de ganho (AGC) com base num NTC. Na figura 21 mostramos como isso pode ser feito.
Uma compensação para saídas de circuito de deflexão de bobinas em televisores, em função da temperatura, pode ser feita com a configuração básica mostrada na figura 22.
Uma aplicação bastante conhecida, e usada nas etapas de saída de amplificadores de áudio com transformadores (push-pull), é mostrada na figura 23.
Neste circuito a compensação da polarização dos transistores e, portanto, a corrente de repouso é feita com a ajuda do NTC. Nas etapas de saída sem transformador, também podemos ter uma compensação de temperatura, também podemos ter uma compensação de temperatura, usando o circuito da figura 24.
Finalmente temos um circuito completo de um termostato, para controle de temperatura num meio qualquer, (uma sala, por exemplo), usando como sensor um NTC. O circuito é mostrado na figura 25.
O Triac depende da carga que se deseja controlar o ajuste da temperatura é feito em Rp.
R6 e Rp devem ter valores que permitem ajustar a tensão na entrada (-), do 741 a um valor equivalente à metade da tensão de alimentação com a temperatura de disparo. Isso corresponde no circuito indicado a 5 V.
Rh determinará a velocidade de ação do circuito e Rg depende da corrente necessária ao disparo do Triac. Cd é dimensionado para uma fonte sem transformador, sendo da ordem de 1 uF.
OBSERVAÇÃO
Os circuitos mostrados para os aplicativos assim como demais informações sobre NTCs foram obtidas dos manuais da Philips Components da época em que o artigo foi escrito (1992).
