Tout savoir sur les capteurs de température à thermistance NTC

La détection de température se trouve partout autour de nous. Votre téléphone portable, votre voiture, le réfrigérateur de votre cuisine, et même les équipements du centre médical voisin utilisent tous une méthode de détection de température. Bien qu’il existe de nombreuses façons de mesurer la température, un type particulier s’est toujours démarqué par sa grande sensibilité, sa petite taille et son adaptabilité: la thermistance CTN.

Bien qu’elles ne bénéficient pas de la même visibilité que certains dispositifs plus sophistiqués, la précision et la fiabilité des thermistances CTN les ont rendues indispensables dans d’innombrables secteurs industriels. Cet article met en lumière la thermistance CTN, ses principes de fonctionnement, ses formes physiques, ses aspects comparatifs avec d’autres types de capteurs, ainsi que ses applications.

Qu’est-ce qu’une thermistance CTN?

Le mot thermistance est la combinaison de deux termes: thermique et résistance. « Thermique » fait référence à tout ce qui concerne la chaleur, tandis que « résistance » désigne un composant électronique passif utilisé pour limiter le courant électrique dans les circuits. Au sens propre, une thermistance est toute résistance dont la valeur est fortement influencée par la température. Le terme CTN signifie Coefficient de Température Négatif. Cela implique que la résistance d’une thermistance CTN diminue lorsque la température augmente.

Les thermistances CTN sont fabriquées à partir de céramiques semi-conductrices, généralement composées d’oxydes métalliques tels que le manganese, le nickel, le cobalt, le cuivre ou le fer. Elles sont ensuite compactées pour former de petites tailles, telles que des perles, des disques, des puces et des tiges. Leur nature semi-conductrice les rend très sensibles aux variations de température. Une thermistance CTN peut même détecter des variations de température de 0,05 degré Celsius lorsque cela est nécessaire. C’est pourquoi elles sont idéales dans de nombreuses situations.

Comment fonctionne réellement une thermistance CTN?

Une brève compréhension de la physique des semi-conducteurs permet de saisir le fonctionnement d’une thermistance CTN. Dans tout matériau semi-conducteur donné, il existe toujours une quantité minimale d’énergie que les électrons doivent posséder avant de pouvoir s’échapper des liaisons qui les maintiennent en place dans le matériau, afin de devenir des porteurs de charge. L’énergie nécessaire à cet effet est appelée énergie de bande interdite (bandgap).

À mesure que la température baisse, très peu d’électrons disposent de l’énergie nécessaire pour se déplacer. Dans ce cas, la résistance sera élevée. Avec une augmentation de la température, davantage d’électrons acquièrent l’énergie requise, augmentant ainsi la conductivité et diminuant la résistance. Contrairement aux métaux comme le platine, dont la résistivité augmente avec la température, la résistivité des semi-conducteurs diminue avec la température.

La relation entre la température et la résistance est non linéaire dans une thermistance CTN et s’exprime mathématiquement à l’aide de la célèbre équation de Steinhart-Hart. Sa version simplifiée est l’équation du paramètre B, qui se présente comme suit:

R(T)=R₀exp(B(1/T−1/T₀))

Ainsi, R(T) représente la résistance à la température T mesurée en Kelvin, tandis que R₀ désigne la résistance à la température de référence T₀, généralement fixée à 25 °C. Le paramètre B varie selon l’oxyde utilisé et se situe généralement entre 2000 K et 5000 K.

Quels critères sont importants lors de la sélection?

Les critères suivants décrivent la performance de la thermistance CTN choisie:

• Résistance à 25 °C (R25): Ce critère indique la résistance d’un matériau donné à la température de référence de 1 kΩ, 10 kΩ et 100 kΩ, la valeur 10 kΩ étant la plus courante pour les applications grand public et médicales.
• Valeur B (valeur bêta): La constante matérielle qui définit la pente de la dépendance résistance-température. Plus la valeur B est élevée, plus la courbe est sensible et non linéaire.
• Tolérance: Indique à quel point la résistance de la thermistance correspond précisément à sa valeur nominale. Plusieurs tolérances existent: ±1 %, ±2 % et ±5 %.
• Plage de température de fonctionnement: La plage de fonctionnement de la thermistance s’étend de -55 °C à 150 °C.
• Temps de réponse: Indique la rapidité avec laquelle la thermistance se stabilise à la température mesurée ; cela dépend de la taille, du poids de la thermistance et du milieu dans lequel elle fonctionne.
• Constante de dissipation: La puissance en mW nécessaire pour augmenter la température de la thermistance elle-même de 1 °C.

Il convient de prêter attention au problème de l’auto-échauffement. Pour mesurer la résistance de la thermistance, il est nécessaire de faire circuler un courant à travers elle. Cela entraîne cependant un échauffement et, par conséquent, une erreur de mesure faible mais systématique.

Sous quelles formes physiques se présentent les thermistances CTN?

Les thermistances CTN se présentent sous différentes formes selon l’application à laquelle elles sont destinées. Dans la plupart des cas, le choix d’une forme plutôt qu’une autre peut être influencé à la fois par l’environnement opérationnel et par les caractéristiques électriques.

Thermistances à bille (bead)

Les thermistances à bille comptent parmi les types les plus petits et les plus rapides disponibles. Ce type présente une minúscule bille semi-conductrice, généralement plus petite qu’un millimètre de diamètre. Les fils conducteurs sont intégrés directement dans la bille pour améliorer les performances. Les thermistances à bille peuvent réagir rapidement aux variations de température grâce à leur faible masse thermique.

Thermistances en disque ou en puce

Les thermistances en disque ou en puce se présentent sous forme de disque. Elles sont fabriquées à partir de poudres céramiques, puis frittes pour former un objet solide. Des électrodes sont ajoutées à la surface des disques. Elles représentent les thermistances classiques à montage en surface, installées sur une carte de circuit imprimé.

Thermistances en tige

Les thermistances en tige se présentent sous une forme cylindrique ou en tige. Elles peuvent mesurer des liquides et des gaz dans des tubes fermés et présentent des valeurs de résistance plus élevées.

Comment les thermistances CTN se comparent-elles aux autres capteurs de température?

Comparer les thermistances CTN aux autres capteurs de température permet de comprendre précisément dans quels cas ces thermistances fonctionnent le plus efficacement.

Par rapport aux thermocouples, les thermistances CTN affichent une sensibilité et une précision de mesure bien supérieures à celles de leurs concurrents. Par exemple, utiliser un thermocouple pour mesurer à l’intérieur d’un four où les températures atteignent 1200 °C est la seule option viable pour effectuer une telle mesure. Cependant, pour mesurer la température du corps humain, qui est de 37 °C, la thermistance CTN est plus efficace que son alternative. Le thermocouple nécessite une compensation de la jonction de référence, tandis que la thermistance CTN n’en a pas besoin, tout en étant immunisée contre les interférences électriques.

Les avantages de la sonde RTD sont sa grande linéarité, une plage de température de fonctionnement plus large et une bonne stabilité par rapport aux thermistances CTN. À l’inverse, les thermistances CTN sont moins chères et plus sensibles que les thermomètres RTD. Par conséquent, pour la production pharmaceutique ou les instruments d’étalonnage de précision, l’instrument privilégié est la sonde RTD. En revanche, pour l’électronique grand public ou l’usage clinique, les thermistances CTN sont évidemment mieux adaptées à ces fins.

Comparées aux capteurs à circuit intégré semi-conducteur, les thermistances CTN nécessitent un conditionnement supplémentaire de leur signal, car leur sortie est non linéaire ; cependant, elles réagissent rapidement, sont plus petites et très sensibles. Les capteurs IC sont prêts à l’emploi et faciles à intégrer avec des dispositifs numériques ; néanmoins, ils consomment davantage de courant et manquent de précision aux extrémités de leur plage de mesure. Des études ont révélé que, dans la plage de température de 35 °C à 42 °C du corps humain, une thermistance CTN correctement spécifiée surpasserait les capteurs IC en précision d’un facteur de cinq ou plus.

Où les thermistances CTN sont-elles réellement utilisées?

Le champ d’application des thermistances CTN est encore plus vaste qu’on pourrait l’imaginer. La sensibilité, la compacité, la réaction rapide et le faible coût des thermistances CTN permettent leur utilisation dans presque toutes les industries nécessitant une surveillance du contrôle de la température.

Secteur de la santé et du médical

Les thermistances CTN sont utilisées dans les thermomètres numériques, les moniteurs de patients, les incubateurs pour bébés, les appareils de dialyse et les dispositifs respiratoires. Grâce à leur réaction rapide et leur haute précision, notamment dans la plage de 35 °C à 42 °C, les thermistances CTN sont les mieux adaptées. Les articles médicaux à usage unique intègrent également des thermistances CTN pour éviter toute contamination lors des mesures de température corporelle pendant les opérations.

Gestion des batteries

Les appareils électroniques portables tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs, les batteries externes et autres utilisent des thermistances CTN pour détecter la température de chaque cellule au sein d’un bloc de batteries. Étant donné que les batteries lithium-ion doivent être surveillées en permanence, car toute condition de fonctionnement supérieure à 45 °C peut réduire la durée de vie d’une batterie de 20 %, les thermistances CTN sont essentielles. Fonctionner à une température supérieure à 60 °C présente des risques, car un emballement thermique peut facilement se produire.

Industrie automobile

Les automobiles contemporaines utilisent des thermistances CTN pour détecter la température du liquide de refroidissement, la température d’admission d’air, la température de l’air de la cabine et la température de la batterie dans les véhicules électriques. La température du liquide de refroidissement importe beaucoup, car elle est nécessaire au calage de l’injection de carburant et à l’avance à l’allumage. Les thermistances CTN automobiles ont des plages de fonctionnement allant de -40 °C à 130 °C.

Climatiseurs et autres appareils domestiques

En plus des usages précédents, la thermistance CTN est utilisée dans des applications domestiques telles que les climatiseurs, les pompes à chaleur, les réfrigérateurs, les lave-linge, les lave-vaisselle et bien d’autres appareils. Par exemple, dans un système de réfrigération, la thermistance CTN est placée à l’intérieur de la machine frigorifique et dans la partie évaporateur de celle-ci.

Applications dans la surveillance des procédés industriels

Bien que les sondes RTD soient courantes dans presque toutes les applications de surveillance des procédés industriels, les thermistances CTN trouvent également une certaine place dans les applications industrielles à plus basse température, les systèmes de transformation alimentaire, les instruments de laboratoire, entre autres, en raison de leur rentabilité.

Application dans l’impression 3D

Les thermistances sont couramment utilisées comme capteurs de température à l’intérieur des hotends des imprimantes 3D FDM. Les capteurs sont placés près de la buse d’impression pour fournir des informations de température au contrôleur de l’imprimante, chargé de piloter les éléments chauffants en fonction du type de matériau utilisé pour l’impression.

Quelles limites sont à connaître ?

• La non-linéarité de la sortie nécessite une correction mathématique ou des tables de conversion pour obtenir des mesures précises sur une large plage
• Plage de température de fonctionnement limitée par rapport aux thermocouples et aux sondes RTD en platine
• Erreur d’auto-échauffement si le courant d’excitation n’est pas soigneusement contrôlé dans la conception du circuit
• La stabilité à long terme est inférieure à celle des sondes RTD en platine pour les applications nécessitant une précision sur de nombreuses années
• L’interchangeabilité peut être incohérente avec des composants de tolérance ou de qualité inférieure

Conclusion

Les thermistances CTN ont finalement trouvé leur place dans le domaine de la mesure de température. Des dispositifs de ce type conviennent parfaitement à différents contextes: appareils du quotidien, dispositifs médicaux vitaux, surveillance continue de l’état des patients, véhicules électriques et articles ménagers.

Il est essentiel de bien comprendre leur fonctionnement, ce que l’on peut développer grâce à elles, et dans quelles conditions elles seront performantes. Et une fois correctement mise en œuvre, une thermistance CTN constitue une solution petite, abordable et hautement fiable à l’un des problèmes fondamentaux de l’ingénierie: mesurer la température avec précision.

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