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O assunto da vez é o Termistor!
Como o próprio nome já diz, este componente é um 'resistor térmico', que varia a resistência de acordo com a temperatura. Esta variação de resistência não acontece de forma linear, isto é, a resistência não é exatamente proporcional a temperatura.
Em termometria, é consenso que os termopares se destacam pela simplicidade e pela versatilidade, já as termoresistências (RTD) pela estabilidade, enquanto os termistores pela sensibilidade. Nos termistores, o ganho de sensibilidade tem como contraponto uma forte não linearidade na curva de resposta.
Historicamente, os estudos que deram origem aos termistores foram iniciados em 1833 com Michael Faraday (França), que pela primeira vez registrou e noticiou o acentuado decréscimo da resistividade elétrica do Sulfeto de Prata em função do aumento da temperatura. Todavia, foi a partir dos trabalhos práticos realizados em 1930 por Samuel Ruben (USA), fundador da Duracell, que a indústria de componentes eletroeletrônicos deu início a produção comercial dos atuais termistores.
Hoje, termistores são mundialmente encontrados em uma variada gama de formatos, tipos de encapsulamento e formas de ligação, inclusive em formato SMD (Surface Mount Device). Termistores são dispositivos aplicados numa faixa de temperatura que começa em valores criogênicos, da ordem de -260˚C, e podem ser utilizados até 300˚C. Entretanto, dificuldades construtivas, decorrentes do próprio princípio operacional, comercialmente limitam a maioria das aplicações à faixa de -50˚C e 150˚C.
Existem dois tipos de termistores: o PTC e o NTC. Lembre-se que:
→ O PTC tem coeficiente de temperatura positivo, ou seja, ao aumentar a temperatura, aumenta a resistência;
→ O NTC tem coeficiente de temperatura negativo, ou seja, aumentar a temperatura, a resistência do componente diminui.
Veja baixo, de forma genérica, a curva característica dos dois componentes:
Gráfico 1
O gráfico acima é só para ter uma ideia de como o componente se comporta. Dependendo do fabricante e do material utilizado no Termistor, esta curva pode ter uma pequena variação.
Não há um padrão de nomenclatura para estes componentes, cada fabricante utiliza seu próprio sistema de nomenclatura. Alguns Termistores podem vir com nada escrito em seu corpo dificultando ainda mais a identificação do componente.
Assim como o resistor, o potenciômetro e o varistor, unidade de medida utilizada para estes componentes também é o Ohm, portanto, ao comprar um você deverá saber o valor de resistência necessário no circuito.
Princípio de funcionamento
Da mesma forma que no material utilizado no varistor, quando aplicada uma força maior do que a que mantém os elétrons na órbita dos átomos, eles sobem da banda de valência até a banda de condução e passa-se a ter uma corrente elétrica. Essa força, no caso do varistor é sobrecarga de tensão, já no Termistor NTC é aumento de temperatura.
Mas o que é essa tal banda de condução e banda de valência? Para saber mais sobre isso, leia o texto sobre condutores e isolantes Parte 1. Para isso, basta CLICAR AQUI!
Há uma fórmula para calcular a variação da resistência dos NTC. Veja-a abaixo:
Onde:
> R é a Resistência;
> a é a Coeficiente de temperatura, normalmente é 25º C;
> e é a Constante de Euler (vale 2,71828182);
> b é a Constante do material utilizado na construção do componente e que está presente no datasheet do mesmo;
> t é a Temperatura do ambiente em graus Kelvin.
OBSERVAÇÃO: Esta fórmula é válida apenas para termistores NTC.
Essa é a lógica dos semicondutores: o aumento da temperatura provoca queda da resistência. No entanto, com os PTCs é um pouco diferente...
Nos PTCs, o material que os compõe necessita passar por uma temperatura de transição, para que após isso comece a elevar a resistência de acordo com o aumento da temperatura. Antes desta transição existe um comportamento análogo ao NTC.
De maneira mais detalhada, abaixo da temperatura Curie, a constante dielétrica é elevada e impede a formação de potenciais barreiras entre os grãos cerâmicos, condição em que a resistividade elétrica da matriz é baixa, podendo apresentar um coeficiente levemente negativo com relação à temperatura.
No ponto de Curie, a cerâmica deixa de ser ferroelétrica e passar para a fase paraelétrica, e com isso a constante dielétrica cai e permite a formação de barreira de potencial entre os grãos, provocando um aumento da resistência elétrica. Observe a figura abaixo:
Imagem 2 - Os capacitores de cerâmica podem ajudar a entender o funcionamento do termistor
Para ficar mais fácil de entender, observe este gráfico, que detalha estrititamente toda a curva do PTC comum e a compara com a curva 'quase linear' do PTC genericamente conhecido como Silistor:
Gráfico 2 - A curva completa gerada por um PTC comum
No gráfico acima, o PTC comum têm um coeficiente de temperatura ligeiramente negativo até o ponto de resistência mínima (Rmin). Acima deste ponto, ele experimenta um coeficiente ligeiramente positivo até o momento em que atinge sua temperatura de transição (Tc), que é referida como temperatura de Curie, momento no qual o PTC comum passa a ter grande aumento da resistência em relação à temperatura.
OBSERVAÇÃO: A temperatura Curie aqui pode ser definida como a temperatura em que a resistência é o dobro do valor (2x Rmin) da resistência mínima (Rmin).
Note que, em temperaturas ainda mais elevadas, o material utilizado no PTC comum volta a ter o comportamento de um NTC. As equações que modelam esse comportamento foram obtidas por W. Heywang e G.H. Jonker na década de 1960.
A resistência elétrica nominal de um PTC comum é normalmente definida como o valor de resistência quando estando à uma temperatura ambiente de 25 °C, e serve para classificar os termistores de acordo com seu valor de resistência. Esta mediação é feita aplicando uma corrente baixa que não aquece o componente o suficiente para afetar o resultado.
Quando se tratam de Silistores, há uma característica 'mais linear' no gráfico resistência / temperatura, com uma inclinação que é relativamente pequena durante a maior parte de sua faixa operacional. Eles também podem apresentar um coeficiente de temperatura negativo quando em temperaturas altas, isto é, em geral, acima de 150 °C.
A estrutura do componente
Veja abaixo o diagrama genérico de um Termistor:
Diagrama 1
O Termistor é composto por dois eletrodos metálicos, que possuem uma determinada dimensão (T) para formar um campo elétrico. Cada eletrodo está ligado à um pino do componente. Entre os dois eletrodos está a chapa ou disco de cerâmica empregado em sua fabricação.
Os materiais mais utilizados são:
→ Os NTC mais comuns são feitos de cerâmica à base de Óxido de Ferro, Óxido de Titânio, Óxido de Cobalto, Óxido de Níquel ou Óxido de Cobre, que podem receber adição de dopantes para adequar algumas de suas propriedades.
→ Os PTC comuns são feitos de cerâmica policristalina semicondutora também, porém, uma cadeia policristalina contendo Titanato de Bário (tal como os capacitores de Cerâmica, no entanto, com um processo de sinterização diferente), que pode conter outros elementos em menor quantidade, tal como Óxido de Titânio e aditivos como Tântalo, Sílica e Manganês.
Na família dos PTCs existe também o chamado "Silistor", que possui tal nome por portar uma estrutura de Silício policristalina dopada ao invés das cerâmicas mencionadas.
→ Os PPTC são feitos de uma camada de polímero com grãos de Carbono. Quando o plástico é aquecido ele se expande, fazendo com que os grãos de carbono fiquem mais longe um do outro, consequentemente diminuindo a condutância e aumentando a resistência.
CURIOSIDADE: Todos os Termistores são feitos com materiais semicondutores, ou seja, a resistência elétrica não varia de forma linear com a tensão elétrica, isto é, são resistores não-ohmicos, tanto que até mesmo o PTC Silistor não é 100% linear. Para saber como funciona um semicondutor, CLIQUE AQUI!
É importante ressaltar que a distância entre os eletrodos e a quantidade de material aplicada entre eles influência na capacitância, na potência, na resistência, na temperatura de operação, enfim, em todas as características do componente.
Seguindo o parágrafo anterior, há também a constante de dissipação do componente, que representa a relação entre a potência aplicada e o aumento da temperatura corporal resultante devido ao auto-aquecimento. Alguns dos fatores que afetam a constante de dissipação são: materiais em contato com o termistor, a forma com que ele é montado no circuito, temperatura ambiente, condução ou caminhos de convecção entre o dispositivo e seus arredores, o tamanho e até mesmo a forma do dispositivo em si. A constante de dissipação tem um grande impacto nas propriedades de auto-aquecimento do termistor.
O invólucro é o acabamento, o revestimento do componente. Esse revestimento pode ser o famoso Poliepóxido para componentes mais comuns ou Teflon (PoliTetraFluorEtileno) para aqueles que operam com maiores temperaturas.
Para saber mais sobre estes polímeros, comece CLICANDO AQUI!
As temperaturas de operação podem variar de -50ºC a +150°C nos modelos mais utilizados. Há Termistores que podem trabalhar com temperaturas ainda menores que -50°C ou maiores que 150°C, fazendo com que a curva característica deles fique ainda menos linear.
Aqui são detalhados alguns usos muito comuns para o PTC e o NTC
O NTC e suas aplicações
Um Termistor NTC pode ser aplicado num circuito de liga e desliga, por exemplo. Ao aumentar a temperatura, a resistência do Termistor NTC cai, fazendo com que ele ative uma sirene, ou um ventilador para refrigeração.
Em bebedouros
A aplicação do NTC pode ser feita na cuba de água dos purificadores com refrigeração:
Imagem 3 - Um purificador de água Latina PA755 em manutenção
Um dos cabos conectado à placa é do sensor NTC, encaixado na parte de trás da cuba de água gelada. Desta forma é possível exibir no ecrã do aparelho a temperatura da água armazenada, bem como ter uma noção se aparelho está em pleno funcionamento ou com algum defeito.
No sistema de arrefecimento do motor do carro
Os Termistores NTC são utilizados para medir a temperatura do líquido de arrefecimento dos motores de combustão interna!
É graças a um Termistor que o eletroventilador do radiador é acionado apenas nos momentos certos. Quando o motor ainda está na fase fria, o sinal do Termistor serve para a central eletrônica alterar a injeção de combustível, deixando a mistura mais 'rica', colaborando para que o motor atinja sua temperatura normal de funcionamento mais rapidamente.
Veja abaixo a imagem de um sensor NTC para o sistema de arrefecimento:
Imagem 4 - Este é um sensor com conector de 3 pinos. Um é o negativo (ligado a massa), o outro é o positivo ligado ao calculador de injeção e o terceiro é para o sinal direcionado ao manômetro do painel.
Este sensor é aplicado em alguns motores franceses, tais como o K4M, K7M e F4R, da Renault. Veja:
Diagrama 2 - Características do NTC aplicado em alguns motores Renault / Peugeot / Citroën
CURIOSIDADE: Quem identifica se a mistura A/C está 'rica' ou 'pobre' é o 'nariz' do motor, mais conhecido como sonda lambda, que fica localizada no coletor de escape. Para saber como funciona a Sonda Lambda, CLIQUE AQUI!
O sinal do Termistor NTC também é utilizado para informar a temperatura do motor no manômetro do painel de instrumentos.
Imagem 5 - Painel de instrumentos de um Ford Focus MK1.5
Muitos dos veículos mais novos não possuem um manômetro, apenas uma luz espia que se acende apenas quando o motor já está prestes a ferrar seu bolso.
Na imagem seguinte vemos um sensor NTC da linha de motores Zetec Rocam e Duratec (derivado dos Mazda L), aplicado em veículos Ford e Volvo:
Diagrama 3 - Note que há apenas dois pinos e a fixação da peça é feita por grampo
Apesar de ter apenas dois pinos, este sensor também serve para informar a temperatura do propulsor no painel de instrumentos, só que neste caso isto é feito pela central eletrônica de controle do motor.
Veja o vídeo abaixo e note as diferenças grandes de projetos, apesar da função ser a mesma:
Vídeo 1 - Dois exemplos de aplicação do sensor NTC em motores de combustão interna
Enquanto a Ford / Volvo fizeram uso de uma tampa lateral do cabeçote em PPA-GF33 e o sensor é preso nela através de um grampo metálico, a Renault fez uso de uma tampa em liga de Alumínio-Magnésio-Silício com o sensor rosqueado. Para além da diferença na pinagem, notamos uma discrepância na resistência elétrica, onde no projeto francês é de cerca de 1.6 kΩ para a temperatura ambiente (cerca de 29 °C), enquanto o nipo-estadunidense tem cerca de 27 kΩ para a mesma temperatura ambiente.
No coletor de admissão do motor do carro
Os Termistores NTC também são utilizados em coletores de admissão de motores de combustão interna para medir a temperatura do ar atmosférico que será misturado com o combustível.
Quanto mais quente estiver, mais agitados e dispersos estão os átomos, tornando a massa de ar menos densa por unidade de volume, fazendo com que a central eletrônica altere os parâmetros de injeção para compensar esta deficiência na alimentação do motor. Veja a imagem de um sensor de temperatura NTC montado em um coletor:
Imagem 6 - O sensor de temperatura de ar é ligado ou após o TBI ou diretamente em um dos tubos de entrada de ar dos cilindros. No caso do exemplo acima, o sensor está colocado no tubo do cilindro 3 (em carros franceses a contagem dos cilindros é feita da esquerda para direita, da embreagem para a distribuição).
O PTC e suas aplicações
Em aquecedores
Não! O PTC não é um sensor de temperatura para a segurança do seu aquecedor, ma sim o próprio aquecedor!
Imagem 7 - Aquecedor portátil com resistor "cerâmico PTC"
As aplicações auto-aquecidas exploram o fato de que quando uma tensão é aplicada em um Termistor PTC comum e corrente elétrica suficiente flui através dele, sua temperatura aumenta. À medida que a temperatura de Curie se aproxima, a resistência aumenta drasticamente, permitindo muito menos corrente fluir.
A mudança de resistividade perto da temperatura de Curie pode ser várias ordens de magnitude dentro de uma faixa de temperatura de apenas alguns graus. Se a tensão permanecer constante, a corrente se estabilizará a um certo valor à medida que o termistor atingir o equilíbrio térmico. A temperatura do equilíbrio depende da tensão aplicada, bem como do fator de dissipação térmica do termistor.
Tudo isso permite que, ao invés de se utilizar um enrolamento de fio metálico resistivo - aqueles que ficam incandescêntes - para gerar calor, possa ser utilizado um conjunto de pastilhas cerâmicas PTC para se criar um aquecedor!
As aplicações que envolvem as pastilhas cerâmicas PTC não excluem sistemas suplementares para controle de temperatura, tais como termostatos ou termofusíveis, e geralemente estes termistores são montados numa estrutura dissipadora feita e7 liga de Alumínio, afim de distribuir o calor gerado:
Imagem 8 - Esta estrutura lembra a de um radiador. Inclusive há, nestes aquecedores domésticos, um ventilador por trás deste bloco
De acordo com a imagem acima, podemos visualizar um sistema mais eficiente, onde o calor é distribuido na estrutura de liga de Alumínio e um ventilador menor, com fluxo de ar direcionado estrtitamente à fonte de calor direciona o ar, que então é aquecido.
Veja o gráfico abaixo:
Gráfico 3 - Nos aquecedores com resistores de fio metálico esse tipo de comportamento não ocorre, pois o(s) resistor(es) já batem a potência máxima imediatamente.
A grande diferença é o Delta de temperatura proporcionado pelos dois tipos de aquecedores, sendo diretamente relacionado com a eficiência energética. O Delta é a diferença de temperatura entre o ar que entra no aquecedor e o que sai dele. Num sistema comum de fio resistivo, a dissipação do calor no ar é menor do que no sistema com cerâmica PTC, e isso, obviamente, comparando dois equipamentos de mesma potência nominal.
Para além dos aquecedores os cerâmicos PTC são implementados também em secadores de cabelo e escovas de cabelo, por exemplo.
Em fusíveis rearmáveis
Como você viu anteriormente, há um modelo de de Termistor chamado de PPTC. Mas o que seria o PPTC?
PPTC é a sigla para “Polymeric Positive Temperature Coefficient”, que em bom português significa “Polímero com Coeficiente de Temperatura Positivo”.
O PPTC é uma variação do PTC muito utilizada para proteção de surtos de corrente em circuitos eletrônicos e até mesmo em pilhas de Lítio. De maneira sucinta, o surto de corrente é absorvido pelo componente e transformado em calor, e diferente de um fusível comum - que se rompe -, o PPTC retorna ao seu estado normal de funcionamento após proteger o circuito.
Para saber o funcionamento detalhado do PPTC, acesse o artigo "Capítulo Excepcional: Fusível, Termofusível, Fusistor e PPTC".
Para conhecer mais sobre sobre pilhas e baterias, bem como compreender a aplicação do PPTC alguns tipos de células, você pode começar CLICANDO AQUI!
Junto de termopares
A aplicação de Termistores PTC de precisão em sistemas de medição de temperatura por termopar é ampla, dada a praticidade e o custo. Utilizando o PTC pra medir a junção fria, a leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da tensão do próprio termopar é utilizada para o cálculo da diferença de potencial térmico verificada na extremidade da termopilha, obtendo-se um valor mais preciso. Se está achando tudo isso confuso demais, basta CLICAR AQUI! e entender melhor como funcionam os termopares, ou melhor, saber muito mais sobre o efeito Seebeck-Peltier!
Em motores elétricos
Motores elétricos podem fazer uso de diversos sistemas de controle e monitoramento de temperatura, e entre eles projetos baseados em Termistores PTC, como mostra este fragmento de um documento da WEG:
Complemento 1 - Motores elétrico também precisam ter a tempartura de trabalho controlada
Para ver mais detalhes sobre termistores, abra o PDF abaixo:
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FONTES e CRÉDITOS
Desenhos, gráficos e texto: Leonardo Ritter
Referências: Canal ElectroLab; Instituto Newton C. Braga; Terraço Econômico; MTE Thomson; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 03 de Março de 2024.