Comment une thermistance est utilisée pour mesurer la température : fonctionnement, circuits, applications

Lorsque vous réglez une friteuse à air et qu'elle s'éteint au bon moment, ou qu'un cuiseur à riz tombe pour rester au chaud exactement lorsque le grain a absorbé suffisamment d'eau, un petit composant réfléchit pour l'appareil. Ce composant est la thermistance, une résistance à deux bornes dont la résistance change avec la température. Cet article explique comment une thermistance est utilisée pour mesurer la température : le principe physique qui la fait fonctionner, le circuit qui lit sa résistance, les mathématiques qui convertissent cette lecture en température et les détails pratiques qui déterminent si la mesure reste précise au fil des années d'utilisation.

Une résistance qui change avec la température

Conclusion d'abord : une thermistance NTC mesure la température car sa résistance diminue d'une manière connue et reproductible à mesure que la température augmente. Cette seule propriété transforme un composant passif en capteur.

Une thermistance est fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs céramiques, généralement des oxydes métalliques, frittés dans une petite perle, une puce ou un disque. Il y a deux familles. Les thermistances à coefficient de température négatif (NTC) diminuent la résistance à mesure que la température augmente ; Les thermistances à coefficient de température positif (PTC) augmentent la résistance et sont plus souvent utilisées pour la protection contre les surintensités ou les radiateurs autorégulants. Pour la mesure de la température, le type NTC domine.

Le changement est suffisamment important pour être lu sans électronique complexe. Une thermistance NTC typique de 10 kΩ évaluée à 25°C mesure environ 33,6 kΩ à 0°C et environ 700 Ω à 100°C - une oscillation de près de 50 pour 1 sur la plage où fonctionnent la plupart des appareils électroménagers. Un Capteur de température CTN ne nécessite donc qu'une entrée analogique de base sur un microcontrôleur, alors qu'un thermocouple nécessiterait une amplification et une compensation de soudure froide. Cette combinaison de signal important, de faible coût et de petite taille est la raison pour laquelle les thermistances apparaissent dans presque tous les appareils à température contrôlée.

Comment un microcontrôleur lit la thermistance

Conclusion d'abord : un microcontrôleur lit une thermistance via un diviseur de tension, car un convertisseur analogique-numérique (CAN) mesure la tension et non la résistance.

La disposition standard connecte la thermistance et une résistance fixe en série sur le rail d'alimentation, avec le nœud de mesure entre elles. L'ADC mesure la tension du nœud et la résistance est calculée à partir de cette tension. Si la thermistance est du côté bas et la résistance fixe du côté haut :

Vout = Vcc × Rfixe / (Rthermistance Rfixe)

Lorsque la thermistance se réchauffe et que sa résistance chute, une plus grande partie de la tension d'alimentation chute aux bornes de la résistance fixe, donc Vout augmente. Quand il refroidit, Vout tombe.

Une chaîne de mesure pratique comprend quatre parties :

• Une tension d'alimentation stable, généralement 3,3 V ou 5 V
• Une résistance fixe avec une tolérance étroite, de préférence 1 % ou mieux
• La thermistance NTC dans un boîtier adapté à l'environnement d'exploitation
• Un CAN avec une résolution suffisante pour distinguer la plus petite étape de température qui intéresse la conception

Une thermistance NTC typique de 10 kΩ avec une valeur B de 3950, associée à une résistance fixe de 10 kΩ et une alimentation de 5 V, produit ces lectures :

Notez l'espacement inégal : entre 0°C et 25°C, la sortie change de 1,35 V, tandis qu'entre 75°C et 100°C, elle change de seulement 0,32 V. La sensibilité est naturellement plus élevée à des températures plus basses. Les concepteurs acceptent cela, réorganisent le diviseur pour polariser la sensibilité vers la fenêtre de fonctionnement ou le corrigent dans le micrologiciel car la courbe est lisse et reproductible.

Conversion de la résistance en température

Conclusion d'abord : une fois la résistance connue, trois méthodes standards la convertissent en température : une table de recherche, l'équation du paramètre B ou l'équation de Steinhart-Hart. Le choix est un compromis entre simplicité, utilisation de la mémoire et précision.

Table de recherche (table R-T)

Les fabricants publient un tableau de résistance en fonction de la température pour chaque type de capteur. Le micrologiciel stocke ce tableau, trouve les deux entrées qui encadrent la résistance actuelle et interpole linéairement entre elles. Il s'agit de la méthode la plus rapide sur un petit microcontrôleur et la plus courante dans les cartes de commande d'appareils. Le problème est que le tableau doit correspondre à la valeur B du capteur. L'association d'une table B = 3435 avec un capteur B = 3950 produit des erreurs de plusieurs degrés aux deux extrémités de la plage.

Équation du paramètre B

Pour une plage de température modérée, la résistance est la suivante :

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298,15)]

où T est en kelvin, R25 est la résistance à 25°C et B est la constante du matériau, généralement comprise entre 3 000 K et 5 000 K pour les thermistances NTC. Cette équation ne nécessite que deux constantes et est simple à mettre en œuvre. Il perd en précision lorsque la plage dépasse environ 50°C, mais dans une fenêtre étroite, c'est le moyen le plus rapide d'estimer la température sans tableau.

Équation de Steinhart-Hart

Pour la plage la plus large et la meilleure précision, l'équation de Steinhart-Hart est le choix standard :

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Les trois coefficients A, B et C (à ne pas confondre avec la constante matériau ci-dessus) sont adaptés à la courbe mesurée du capteur. Avec de bons coefficients, cette équation tient à quelques centièmes de degré près sur toute la durée nominale. Un microcontrôleur l'évalue plusieurs fois par seconde, le coût de calcul est donc négligeable.

Quelle que soit la méthode utilisée, le capteur lui-même comporte une tolérance. Une thermistance NTC standard a une tolérance de résistance d'environ ±1 % à 25 °C et une tolérance de valeur B de ±1 %, qui ensemble se traduisent par une erreur d'environ ±0,5 °C à ±1 °C à 100 °C. Si la conception nécessite une plus grande précision, spécifiez un capteur de qualité supérieure ou effectuez un étalonnage en un point sur la ligne de production.

Considérations pratiques qui déterminent la précision réelle

Conclusion d'abord : la précision d'une mesure par thermistance dépend autant des conditions d'installation et de fonctionnement que de l'élément capteur lui-même. Dans les appareils réels, quatre facteurs sont à l’origine de la plupart des erreurs.

Auto-chauffant. Le courant de polarisation réchauffe le capteur légèrement au-dessus du milieu mesuré, créant une erreur persistante. Maintenez la dissipation de puissance inférieure à environ 1 mW pour un capteur à billes de verre. À titre de référence, un capteur de 10 kΩ dans un diviseur de 10 kΩ avec une alimentation de 3,3 V dissipe environ 0,27 mW à 25°C - sûr, mais facile à dépasser si la tension d'alimentation est augmentée ou si la résistance fixe est beaucoup plus grande.

Correspondance de la valeur B. Deux capteurs ayant la même résistance à 25°C mais des valeurs B différentes lisent la même chose à température ambiante et s'en éloignent progressivement. Confirmez que la valeur B du capteur de production correspond à la caractérisation du micrologiciel ; une inadéquation est une cause courante du comportement « bon à 25 °C, mauvais à 90 °C ».

Conditionnement et délai de réponse. L'élément céramique nu répond en une fraction de seconde, mais l'encapsulation le ralentit. Les billes recouvertes d'époxy réagissent rapidement et s'adaptent à l'air sec se déplaçant à travers un élément chauffant ; les sondes en métal ou scellées en silicone sont plus lentes mais survivent à l'eau, à la vapeur et aux produits de nettoyage. La sélection d'une sonde scellée pour une application humide ou d'une perle époxy rapide pour un flux d'air est aussi importante que les spécifications électriques.

Placement. La thermistance mesure sa propre température locale. Il doit être placé le plus près possible du point à contrôler : l'élément chauffant, la cavité de cuisson ou le liquide à chauffer. Quelques millimètres de séparation, un courant d'air provenant d'un ventilateur de refroidissement ou un support métallique épais qui absorbe la chaleur peuvent modifier la lecture de plusieurs degrés.

Un système de thermistance de qualité électroménager, spécifié et installé en tenant compte de ces quatre facteurs, conserve son étalonnage pendant des années. C’est sur ce niveau de prévisibilité que s’appuient les fabricants lorsqu’ils construisent un algorithme de contrôle autour d’un composant à faible coût.

Mesure de thermistance dans de vrais appareils électroménagers

Dans les appareils de production, la thermistance ne fonctionne jamais de manière isolée. Il se connecte au tableau de commande via un faisceau de câbles, et le connecteur, les fils conducteurs et l'isolation font partie du système de mesure. Un capteur avec des bornes desserrées ou une isolation fissurée produit des lectures intermittentes qu'aucun étalonnage ne peut corriger. Les fabricants évaluent donc le capteur, le faisceau et le connecteur comme un seul ensemble plutôt que comme des pièces détachées distinctes.

Dans une friteuse à air, le capteur NTC surveille la cavité de cuisson et fait rapport au contrôleur, qui commute le chauffage pour maintenir la température réglée. Le capteur doit réagir rapidement et rester stable malgré de larges variations de température ; un capteur lent provoque un dépassement et un brunissement inégal.

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Une bouilloire électrique est un test différent. Le capteur est monté contre la plaque chauffante avec un joint thermique et le micrologiciel surveille une augmentation rapide de la température. Si le couplage thermique s'affaiblit, la bouilloire peut continuer à chauffer au-delà du point d'ébullition avant que le contrôleur ne réagisse. Un élément à réponse rapide combiné à une structure de montage fiable permet à une bouilloire électrique de s'éteindre de manière fiable à chaque fois.

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Un cuiseur à riz va plus loin dans le même principe. Le capteur se trouve sous le pot intérieur et le contrôleur surveille le taux d'augmentation de la température pour décider quand l'eau a été absorbée, puis réduit l'alimentation pour rester au chaud. Il s'agit d'une application classique de thermistance : un capteur à faible coût, un simple diviseur et une courbe bien caractérisée travaillant ensemble pour produire un résultat de cuisson cohérent. La même approche apparaît dans les machines à lait de soja, les robots culinaires et les autocuiseurs électriques.

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Du point de vue de l'approvisionnement, la question pratique n'est pas de savoir si les thermistances mesurent bien la température - elles le font - mais si le capteur fourni est caractérisé par la courbe R-T correcte, conditionné pour l'environnement réel et livré avec un câblage qui survit à l'assemblage et à l'utilisation quotidienne. Choisir un Fabricant de faisceaux de câbles et de capteurs de température NTC qui contrôle tous ces éléments ensemble évite les problèmes de non-concordance qui apparaissent une fois que les produits arrivent sur le terrain.

L'essentiel

Une thermistance mesure la température car sa résistance suit une courbe reproductible et bien comprise. La chaîne est courte : un diviseur de tension convertit la résistance en tension, un CAN numérise cette tension et une table de recherche ou l'équation de Steinhart-Hart la convertit en température. La véritable précision vient des détails que les équations ne montrent pas : auto-échauffement, correspondance de la valeur B, emballage, placement et câblage qui relie le capteur au contrôleur. Gérez ces détails correctement, et un composant qui coûte quelques centimes par unité maintient un appareil à un degré ou deux de son objectif pendant des années de fonctionnement quotidien.