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Si verificano molti fenomeni imprevedibili quando i termistori vengono utilizzati a temperature non specificate dal produttore. Ad esempio, a temperature di circa meno cinquanta (−50) gradi Celsius, iniziano a manifestarsi problemi nell’uso di termistori con caratteristiche NTC. Si osservano aumenti drammatici dell’ordine del 300%–500%, o anche superiori, che non presentano affatto un andamento lineare. Poiché i portatori di carica non sembrano muoversi liberamente, vengono intrappolati e limitati nel loro movimento. Che cosa accade invece all’estremo opposto? Temperature efficaci elevate, pari a circa centocinquanta (150) gradi Celsius, superano un ulteriore soglia di degrado. Man mano che viene immessa sempre maggiore energia (sotto forma di calore) nel semiconduttore, si verifica il collasso della sua struttura. Vale la legge di Moore: la resistenza totale del materiale diminuisce all’aumentare del numero di elettroni liberi e della carica totale. In generale, questo fenomeno segue la legge di Arrhenius. Tuttavia, possono verificarsi condizioni estreme e non controllate. Esperti hanno osservato che, per ogni incremento di 10 gradi oltre i 150 gradi Celsius, il calore può ridurre, per effetto di un processo analogo al vuoto, la resistenza efficace del 15%–25%.
Queste differenze possono rendere i sensori poco affidabili per compiti che richiedono la massima precisione, come la misurazione delle temperature nelle stazioni di ricerca polare e il monitoraggio dei motori a reazione durante il volo. Nelle stazioni di ricerca polare, anche una differenza di mezzo grado può fare la differenza tra successo e insuccesso.
Degrado specifico del materiale dei coefficienti beta e alfa
I materiali utilizzati per la costruzione e l’imballaggio determinano la durata dei termistori quando sottoposti a temperature estreme elevate e basse. Ad esempio, i termistori a coefficiente di temperatura negativo (NTC) in ossido di manganese-nichel possono perdere fino al 40% del loro coefficiente beta a causa di irreversibili modifiche della struttura cristallina quando esposti a temperature intorno ai 200 gradi Celsius. I termistori a base di cobalto presentano invece caratteristiche proprie. Quando esposti a temperature inferiori a 0 gradi Celsius, questi termistori subiscono una deriva del coefficiente alfa di ±0,5 °C, con una variazione inferiore a 0,5 °C al mese, dovuta allo sviluppo di microdifetti nella struttura cristallina causati proprio da tali basse temperature. Uno dei fatti più interessanti e al contempo enigmatici riguardo alla costruzione e all’imballaggio dei termistori è la loro influenza sull'affidabilità. Ad esempio, nei cicli termici, i termistori incapsulati in resina epossidica si guastano circa tre volte più velocemente rispetto a quelli incapsulati in vetro, in particolare per quanto riguarda l’instabilità del coefficiente beta. I termistori incapsulati in resina epossidica presentano un’instabilità dello 0,8% ogni 1000 ore a 125 °C, mentre quelli incapsulati in vetro mostrano un’instabilità dello 0,25% nello stesso arco temporale.
Diversi tipi di guasti implicano che gli ingegneri devono prestare particolare attenzione ai materiali utilizzati per determinate applicazioni. Queste includono sensori impiegati in operazioni di perforazione di pozzi profondi o in dispositivi medici che immagazzinano liquidi a temperature superiori a 100 gradi e richiedono misurazioni accurate per lunghi periodi.
Ottimizzazione della scelta dei termistori per applicazioni con temperature estreme
Abbinamento del tipo di incapsulamento (vetro vs. epossidico) alle specifiche condizioni ambientali
Tipo di incapsulamento e prestazioni del termistore in ambienti ostili
Il tipo di materiale utilizzato per l'incapsulamento determina in quale misura i termistori possono resistere alle sollecitazioni ambientali cui sono sottoposti. Con l'incapsulamento in vetro, i termistori possono funzionare in modo affidabile in ambienti la cui temperatura raggiunge i 250 gradi Celsius e scende fino a -80 gradi Celsius, un intervallo termico estremamente ampio. Garantiscono una tenuta stagna e una barriera quasi completa contro l'intrusione di umidità, nonché contro l'intrusione chimica e gli agenti fisicamente distruttivi. È per questo motivo che i termistori con incapsulamento in vetro si trovano in applicazioni eccellenti quali i motori automobilistici, i sistemi di controllo dei forni industriali e i pacchi batteria dei veicoli elettrici (EV). I termistori con incapsulamento in resina epossidica, più economici, presentano invece alcune limitazioni: possono rigonfiarsi quando esposti a solventi, creparsi se la temperatura varia di oltre 200 gradi in un tempo molto breve e perdere l'impermeabilità agli ioni in condizioni di umidità elevata o in presenza di salinità. A tale riguardo, chi progetta il sensore deve prendere in considerazione numerosi fattori.
Resistenza chimica: Il vetro è resistente agli idrocarburi e ai solventi per la pulizia; l'epossidico può subire plasticizzazione o delaminazione.
Resistenza al colpo termico: Il vetro è l'unico materiale tra i dispositivi valutati in grado di sopportare cicli ripetuti a temperature superiori a 200 °C senza microfessurazioni.
Ermeticità: Per l'incapsulamento di livello medico di sistemi elettronici, è richiesto l'incapsulamento in vetro, inclusi i sistemi EV ad alta tensione, nei quali la corrente di dispersione deve essere inferiore a 1 nA.
Bilanciamento dell'intervallo di temperatura esteso con la costante di tempo termica
Bilanciare un'ampia gamma di temperature e un rapido tempo di risposta rappresenta una sfida progettuale notevole. Sebbene i termistori a perla miniaturizzati possano garantire un tempo di reazione dell'1%, essi sono generalmente considerati poco affidabili oltre i 150 gradi Celsius. All'estremo opposto, i termistori a perla in vetro di dimensioni maggiori rispondono, ma soltanto dopo 10–30 secondi. Rilevare il runaway termico nelle batterie costituisce una grande sfida: in tal caso, i tempi di risposta devono essere inferiori a 3 secondi a 200 gradi Celsius; pertanto, i principali produttori stanno optando per soluzioni ibride. In termini semplici, tali soluzioni integrano masse termiche diverse, posizionando termistori a rapida risposta sulla punta e termistori stabili alla base. Inoltre, l’ossido di alluminio nichelato isolato, di proprietà esclusiva, utilizzato in molti progetti garantisce una migliore risposta al calore e all’elettricità. Oggi i sistemi "intelligenti" sono progettati per prevedere il tempo di risposta ed effettuare correzioni al fine di controllare tale parametro.
La ricerca suggerisce che, quando gli ingegneri prestano pari attenzione alla sicurezza e alla velocità, il numero di guasti si riduce del 34% in condizioni di funzionamento estremamente fredde. Ciò indica che i tempi di risposta devono essere progettati per operare in sicurezza nelle effettive condizioni operative, anziché essere spinti ai limiti estremi.
Affidabilità dei termistori utilizzati nel mondo reale: stabilità, deriva e immunità al rumore
Stabilità a lungo termine rispetto alla ripetibilità a breve termine in condizioni di elevata umidità e vibrazione
Quando si parla di affidabilità in condizioni estreme, è necessario distinguere la stabilità a lungo termine dalla ripetibilità a breve termine. La stabilità a lungo termine riguarda quanto delicatamente, se mai, la risposta in termini di resistenza varia nel corso di molti anni, mentre la ripetibilità a breve termine riguarda la capacità della risposta di rimanere costante durante brusche variazioni di temperatura o shock improvvisi. Per grandi batterie o stazioni meteorologiche dotate di sensori NTC rivestiti con resina epossidica, se la deriva annuale supera ± 0,1 °C (evento che si verifica facilmente e frequentemente), il sistema incorrerà in ritardi e costi aggiuntivi dovuti a calibrazioni frequenti. Al contrario, piccole fratture causate da vibrazioni meccaniche possono influenzare negativamente le misurazioni a breve termine, aumentando il rumore anche del 15%. E, naturalmente, vi è l’effetto dannoso e distruttivo dell’umidità: il rivestimento polimerico assorbe l’umidità e, quando l’apparecchiatura è esposta a ripetute variazioni del punto di rugiada, i livelli fondamentali di resistenza subiscono spostamenti e gli effetti di isteresi aumentano considerevolmente.
Fattore: attenzione alla stabilità nel tempo rispetto all'attenzione alla ripetibilità nel tempo
Stress ambientali: invecchiamento termico, ossidazione, migrazione ionica; vibrazioni meccaniche, rapida variazione di temperatura, urto meccanico
Parametro chiave: deriva (ppm/anno); coerenza delle misure (deviazione standard < 0,05 °C)
Priorità progettuale: sigillatura ermetica (incapsulamento in vetro) e metallizzazione stabile; montaggio ammortizzato contro gli urti e fissaggio dei terminali a bassa sollecitazione
I termistori sono altamente resistenti al rumore elettrico grazie alla loro elevata resistenza di base (da 1 a 100 chiloohm). Per questo motivo, non richiedono la schermatura elettromagnetica necessaria per dispositivi con resistenza inferiore, come i sensori RTD e le termocoppie. Ad esempio, si considerino gli impianti eolici offshore e i sistemi avanzati di assistenza alla guida nelle automobili. I termistori a grana rivestiti in silicone utilizzati in questi sistemi sono tuttavia soggetti anche a problemi di umidità e rispondono in meno di 1 secondo. Ciò dimostra che la scelta di materiali adeguati può contribuire a risolvere i problemi di affidabilità cui gli ingegneri vanno incontro nello sviluppo di apparecchiature destinate all’impiego in condizioni estreme.
Esempio pratico di applicazione: termistori NTC nella gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici (EV)
I termistori NTC sono estremamente utili per il monitoraggio delle temperature delle batterie nei pacchi batteria dei veicoli elettrici. Il controllo della temperatura deve essere effettuato nell’intervallo compreso tra 15 e 35 gradi Celsius, poiché le celle agli ioni di litio subiscono danni quando la temperatura esce da tale intervallo di controllo e sussiste il rischio di surriscaldamento pericoloso. I sensori NTC sono integrati all’interno del pacco batteria e monitorano costantemente la resistenza della batteria tramite il sistema di gestione della batteria (BMS), consentendo così al sistema di raffreddare la batteria. Ad esempio, non appena la temperatura della batteria supera i 40 gradi Celsius, viene attivato il raffreddamento a liquido per evitare reazioni chimiche indesiderate nella batteria. Tuttavia, se la temperatura della batteria scende al di sotto di zero gradi Celsius, vengono attivati i riscaldatori PTC per mantenere un flusso ottimale di ioni nell’elettrolita. Grazie a un controllo intelligente della temperatura, la durata delle batterie aumenta del 30% rispetto ai sistemi funzionanti in modo continuo, mentre gli utenti registrano un’autonomia più coerente ed efficiente del 15%. Questo risultato è stato testato e confermato in condizioni reali, in particolare nelle zone climaticamente ostili della California e della Norvegia, nel corso di diversi anni.
Ciò che rende unici questi sensori è la loro capacità di rilevare punti caldi in pochi millisecondi, prima che qualsiasi situazione possa sfuggire al controllo, specialmente durante le sessioni di ricarica rapida in corrente continua (DC) da 350 kW. I termistori NTC possiedono eccellenti caratteristiche, poiché sono adatti per applicazioni gravose, resistono a condizioni ambientali estreme e sono economicamente vantaggiosi. Per questo motivo, continuano a essere ampiamente utilizzati in molti altri settori, non solo nei veicoli elettrici (EV), ma anche nei sistemi di alimentazione di aeromobili e nei sistemi di accumulo energetico su larga scala in tutto il mondo.
Domande Frequenti
Perché i termistori presentano una resistenza non lineare alle estremità della gamma termica?
A temperature inferiori a -50 gradi Celsius, il movimento dei portatori di carica è limitato all’interno del semiconduttore, con conseguente elevata resistenza. Viceversa, a temperature superiori a 150 gradi Celsius, la struttura interna del semiconduttore viene danneggiata, causando cali imprevedibili della resistenza.
Qual è l’effetto dell’incapsulamento sui prestazioni del termistore?
Tra tutti i tipi di incapsulamento, i termistori con incapsulamento in vetro offrono la massima protezione contro l'umidità, i prodotti chimici e altri impatti fisici, risultando quindi particolarmente adatti per ambienti estremi. Sebbene i termistori con incapsulamento in resina epossidica siano più soggetti a rigonfiamento e crettature, offrono il livello minore di protezione contro tali fenomeni rispetto ai termistori con incapsulamento in vetro.
I termistori NTC sono affidabili nei sistemi di gestione della batteria dei veicoli elettrici?
Sì. I termistori NTC sono utilizzati in tutti i sistemi di gestione della batteria dei veicoli elettrici per ogni sistema di gestione termica; di conseguenza, ne prolungano la durata e ne stabilizzano le prestazioni.
