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La sûreté de fonctionnement de ces appareils revêt donc désormais une importance capitale (comme cela aurait toujours dû être le cas). Heureusement, les concepteurs sont en mesure d’éviter les incidents liés à des phénomènes thermiques (batteries qui s’enflamment, composants endommagés) en activant une fonction de refroidissement, de chauffage ou en altérant les performances de leur système par d’autres moyens, à partir de la température extérieure. Les capteurs de température sont un élément de base de tous les systèmes électroniques. Ils aident à garantir la sûreté d’utilisation des appareils lorsqu’ils fonctionnent à leur niveau de performance maximal. Il en existe plusieurs types : les circuits intégrés, les thermistances, les thermocouples et les thermomètres à résistance. Chacun présente ses avantages et ses inconvénients.
Dans ce livre blanc, je me concentrerai sur l’un des capteurs de température les plus courants : les thermistances. J’exposerai certains éléments importants à prendre en considération lorsque l’on utilise des thermistances dans des applications de détection de la température. Puis, je comparerai deux types de thermistances : les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) et à les thermistances à coefficient de température positif (CTP) linéaires en silicium.
Les thermistances (contraction des mots « résistance » et « thermique » sont des dipôles électriques très simples, en matériaux semi-conducteurs, dont la résistance varie en fonction de la température et ce, suffisamment pour que l’on puisse mesurer la variation à l’aide d’un montage adéquat. Elles suivent la loi d’Ohm, à l’instar des résistances, à ceci près que la valeur de résistance change donc selon la température auquel le composant est exposé.
La résistance des thermistances varie en fonction de la température. Suivant les matériaux semi-conducteurs utilisés et le processus de fabrication, elles peuvent afficher un coefficient de température négatif (CTN) ou positif (CTP). Lorsque la température augmente, la résistance des thermistances CTN diminue, tandis que celle des thermistances CTP augmente. Comme le montre la Figure 1, il est possible d’exprimer la relation entre résistance et température (R-T) sur l’ensemble de la plage de température de fonctionnement d’une thermistance sous la forme de courbes linéaires et non linéaires.
Les thermistances CTN existent depuis plusieurs décennies. Grâce à leur prix abordable, elles se sont imposées comme composant par défaut pour ce type de capteurs de température. Cependant, les thermistances linéaires gagnent en popularité en raison des avantages qu’elles offrent. Les thermistances linéaires en silicium sont parfois appelées « silistance », ou capteurs KTY. Elles font partie de la famille des thermistances CTP, car leur résistance augmente avec la température. Les thermistances CTP non linéaires, quant à elles, sont généralement utilisées dans des applications de limitation de courant en raison de l’augmentation rapide de leur valeur de résistance à partir d’une certaine température, appelée température de Curie. À cause de cette caractéristique, on peut parler de « thermistances CTP à point de basculement ».
Commençons par observer la manière dont ces composants élémentaires sont généralement utilisés. Un courant traversant une résistance génère une chute de tension au niveau de ce composant ; par conséquent, les thermistances ont besoin d’une excitation externe pour fonctionner.
Une manière simple et peu coûteuse d’alimenter une thermistance en courant polarisé consiste à utiliser une source de tension constante et un circuit diviseur de tension (voir Figure 2). À mesure que la température change, on observe une modification de la chute de tension (VTEMP) au niveau de la thermistance. Quand on conçoit un système avec une source de tension, il est toujours intéressant d’adopter une approche ratiométrique, qui peut permettre d’annuler l’effet de variation de l’alimentation.
Autre circuit de polarisation couramment utilisé : une source à courant constant (voir Figure 3), qui permet de mieux maîtriser la sensibilité de VTEMP afin d’améliorer la précision du système et d’utiliser pleinement toute la plage de valeurs des convertisseurs analogiques-numériques (CAN). La tension VTEMP est généralement injectée directement dans un CAN ou acheminée via un comparateur afin d’assurer des fonctions de détection de seuil de base (voir Figure 4). La tension en sortie du comparateur reste faible, jusqu’à ce que VTEMP dépasse le seuil de tension défini par R1 et R2. Lorsqu’elle augmente, le comparateur émet un signal de surchauffe. Afin de maintenir ce signal d’alerte jusqu’à ce que la température revienne à la valeur spécifiée (en tenant compte du phénomène d’hystérésis), on peut utiliser un comparateur à hystérésis ou intégrer au système des résistances de rétroaction.
Il peut être intéressant pour vous d’avoir une réponse en tension VTEMP linéaire au niveau de la thermistance, car cela facilite l’implémentation du logiciel et limite les erreurs dues aux variations. Dans un cas classique, il faut combiner plusieurs thermistances CTN à des résistances fixes pour linéariser la réponse en tension sur toute la plage de températures. A minima, si vous utilisez une thermistance CTN, vous devrez ajouter une résistance parallèle (voir Figure 5).
Les thermistances CTP linéaires, elles, fournissent une tension VTEMP intrinsèquement linéaire, puisqu’elles affichent une courbe R-T linéaire ; il n’est pas nécessaire d’ajouter des composants (voir Figure 6).
Par conséquent, si vous avez besoin d’économiser de l’espace et de l’argent tout en profitant d’une réponse en tension VTEMP linéaire, le choix d’une thermistance CTP linéaire pourrait être votre meilleure option.
Les thermistances sont classées en fonction de leur tolérance de résistance, c’est-à-dire le pourcentage de variation (en plus ou en moins) de leur résistance à une température donnée. La valeur de ce paramètre est comprise entre 0,5 % et 10 %, et généralement nommée « tolérance de résistance à 25 °C » dans les fiches techniques. Lorsque vous choisissez une thermistance, assurez- vous de calculer les tolérances de résistance aux températures auxquelles elle sera exposée, en vous basant sur les valeurs de résistance minimale, type et maximale fournies par le fabricant dans le tableau R-T. Ce calcul est important, car les thermistances CTN classiques affichent généralement une tolérance de résistance bien supérieure que celle spécifiée sur la fiche technique lorsque la température s’écarte de 25 °C. Dans certains cas, elle peut passer de ± 1 % à 25 °C à ± 4 %, voire davantage, à – 40 °C et 150 °C.
Les thermistances linéaires en silicium affichent une tolérance de résistance nettement plus stable en raison de leur composition et de la régularité de leur sensibilité. Ainsi, par comparaison, pour une tolérance de ± 1 % à 25 °C, la valeur de tolérance maximale à – 40 °C et 150 °C est de ± 1,5 %. On est loin des ± 4 % observés aux extrêmes de température sur une thermistance CTN.
Autre paramètre à prendre en compte sur les thermistances : la variation de la résistance en fonction de la température en degrés Celsius, également appelée sensibilité. Une sensibilité trop faible pour être détectée par votre CAN peut affecter la précision de vos mesures de température. Généralement, les thermistances CTN affichent une sensibilité élevée à de faibles températures, puisque leur résistance chute de façon exponentielle. En revanche, à des températures élevées, leur sensibilité diminue considérablement ce qui peut fausser les mesures de température si l’on y ajoute une forte tolérance de résistance.
Les thermistances linéaires au silicium, quant à elles, affichent une sensibilité bien plus régulière, ce qui garantit la stabilité des mesures sur toute la plage de température. Elles sont également plus sensibles que les thermistances CTN, dont la sensibilité diminue considérablement au-delà de 67 °C. Si vous avez besoin de mesurer avec précision des températures élevées, les thermistances linéaires en silicium sont donc une excellente alternative.
Il est toujours pertinent d’étalonner les thermistances pendant le processus de montage afin d’obtenir des mesures de température plus fiables, généralement en mesurant la tension en sortie de la thermistance à une température connue et en appliquant un décalage.
Suivant le type de thermistance et la plage de températures propre à l’application, le nombre de points d’étalonnage recommandé peut varier. Par exemple, si vous avez besoin de mesurer une large plage de températures (> 50°C), les thermistances CTN nécessitent un étalonnage à plusieurs points afin de réduire l’erreur produite par la tolérance de résistance et la variation de la sensibilité en fonction de la température.
En revanche, les thermistances linéaires en silicium n’ont besoin que d’un seul point d’étalonnage, étant donné le caractère linéaire de la courbe R-T et la faible tolérance de résistance.
L’effet Joule correspond à la puissance dissipée par une thermistance sous forme de chaleur lorsqu’un courant la traverse. Cette chaleur est produite à l’intérieur même de la thermistance, et peut affecter la précision de mesure.
L’échauffement potentiel d’une thermistance par effet Joule dépend de différents facteurs :
Les matériaux utilisés,
La taille de la thermistance,
Le volume de courant traversant la thermistance,
Les conditions environnementales, et notamment les échanges thermiques par conduction avec l’environnement du capteur,
La configuration du circuit électrique.
Si l’on observe la courbe R-T d’une thermistance CTN, on constate que la résistance diminue à mesure que la température augmente, augmentant ainsi la consommation de puissance. La chaleur dissipée par le composant augmente donc, entraînant un échauffement de celui-ci par effet Joule. À l’inverse, sur une thermistance CTP linéaire en silicium, la résistance augmente avec la température, réduisant la consommation de puissance. Et parce qu’elles sont faites en silicium, l’effet Joule est très faible par rapport à celui généré par les matériaux des thermistances CTN.
En plus de l’effet Joule, les tolérances que j’ai mentionnées dans la section « Tolérance de résistance et sensibilité » peuvent occasionner une dérive de mesure au fil de la durée de vie de la thermistance. Les spécifications relatives à cette dérive qui doivent figurer dans les fiches techniques des thermistances sont très importantes pour les applications impliquant une utilisation sur plusieurs années ou dans des environnements difficiles. Généralement, le fabricant fournit ces spécifications après avoir mené des essais accélérés, par exemple en soumettant le composant à des cycles de température ou d’humidité. Les thermistances CTP linéaires en silicium affichent également une dérive bien plus faible que les thermistances CTN, car le silicium est un matériau plus stable.
Il y a plusieurs façons de convertir la tension VTemp en température à l’aide d’un logiciel. La première étape est toujours la même : votre code lit la valeur transmise par le CAN et affecte cette valeur à une variable. À partir de là, vous pouvez calculer la résistance et appliquer l’une des nombreuses méthodes de conversion.
L’une des plus courantes consiste à utiliser une table de correspondance répertoriant une liste de températures et les valeurs de résistance attendues en fonction de celles-ci. Le code cherche la résistance la plus proche dans la table (en retenant l’arrondi supérieur ou inférieur), et identifie la température correspondante. Pour plus de précision, vous pouvez utiliser une table associée à une fonction d’interpolation, qui calculera la température comprise entre deux valeurs répertoriées au lieu de l’arrondir à la valeur supérieure ou inférieure.
Autre méthode de conversion, mieux adaptée aux applications conservant un historique des mesures : une équation d’ajustement de courbe représentant de manière précise la caractéristique R-T du composant. Pour les thermistances CTN, on se base souvent sur la relation de Steinhart–Hart (Équation 1) :
où T est la température en kelvin, R est la résistance calculée, A, B et C sont les coefficients calculés, et ln est le logarithme naturel.
Pour les thermistances en silicium, on peut s’appuyer sur une simple formule de régression polynomiale de quatrième degré (Équation 2), qui permet un traitement plus rapide que la relation de Steinhart-Hart :
où T est la température en degrés Celsius, R est la résistance calculée et A(0–4) sont les coefficients polynomiaux.
Comparées aux thermistances CTN classiques, les thermistances linéaires en silicium présentent bien des avantages. Il en existe de nombreux formats. Or, l’un des principaux obstacles à leur adoption était leur prix, nettement plus élevé que celui des thermistances CTN. Texas Instruments élimine cet obstacle en proposant une gamme de thermistances linéaires en silicium aussi compactes que des thermistances CTN, à un tarif comparable. Le Tableau 1 compare des thermistances CTN classiques aux thermistances linéaires en silicium de TI. Les performances des thermistances linéaires en silicium se révèlent précieuses sur un large éventail d’applications industrielles et automobiles. Pour en savoir plus sur la gamme proposée par TI, consultez la page dédiée aux thermistances sur le site de TI.
