Relation de Steinhart-Hart

La relation de Steinhart–Hart modélise l'évolution de la résistance électrique d'un semi-conducteur selon sa température. Les composants exploitant cette propriété s'appellent des thermistances. Cette loi peut s'écrire :

${1 \over {T+273,15}} = A + B \ln(R) + C (\ln(R))^3 \,$

Avec :

$T$ sa température (en °C);
R sa résistance électrique (en ohms);
$A$ , $B$ et $C$ les coefficients de Steinhart-Hart qui caractérisent chaque thermistance.

Cette relation est valide sur toute la plage de fonctionnement du composant. Il existe en revanche des formules plus faciles à manipuler mais limitées à une gamme restreinte de températures (voir l'article thermistance).

L'équation contient aussi, en théorie, un terme en $(ln R) 2$ généralement négligeable devant les autres coefficients. C'est pourquoi il n'est pas considéré ici. (En sa présence il y aurait alors 4 coefficients.)

Sommaire

1 Utilisation
- 1.1 Inversion
- 1.2 Coefficients de Steinhart-Hart
2 Origines de la relation
3 Références

Utilisation

Cette relation permet souvent d'estimer avec précision la résistance d'une thermistance selon la température sur toute sa plage de fonctionnement. Tandis que les équations, certes plus simples, données par les fabricants ne sont souvent précises que sur certains intervalles de température. Il peut donc parfois être utile de disposer de cette loi plus délicate mais toujours précise.

Les coefficients de Steinhart–Hart sont parfois publiés par les fabricants. Si ce n'est pas le cas, il faut résoudre un système à 3 équations et 3 inconnues pour trouver ces constantes A, B et C.

Inversion

On peut chercher la relation réciproque (obtenir R en sachant T). Cela est possible à partir des mêmes coefficients A, B et C. Il s'agit de considérer la relation comme une équation de troisième degré en ln(R), que l'on résout par la méthode de Cardan. T est en °C et R en ohms.

Posons :

$\gamma=\left({1\over{T+273,15}}-A\right)\times{1\over C}$ et $\delta=\sqrt{\gamma^2 + {4\over{27}}\left({B\over C}\right)^3}$

dès lors :

$ln(R)=\left({\gamma+\delta \over 2}\right)^{1/3} + \left({\gamma-\delta \over 2}\right)^{1/3}$ dont on prend l'exponentielle pour avoir R.

Coefficients de Steinhart-Hart

Pour trouver les coefficients de Steinhart-Hart il suffit de connaître trois points de fonctionnement et de poser un système. Pour cela, on utilise trois valeurs de résistance données pour trois températures connues.

$\begin{cases} A+(\ln R_1).B+(\ln R_1)^3.C={1\over T_1+273,15} \\ A+(\ln R_2).B+(\ln R_2)^3.C={1\over T_2+273,15} \\ A+(\ln R_3).B+(\ln R_3)^3.C={1\over T_3+273,15} \end{cases}$

Avec R1, R2 et R3 les valeurs de la résistance aux températures T1, T2 et T3, on peut alors exprimer A, B et C (tous calculs faits)...

posons d'abord : $L 1 = ln(R 1)$ , $L 2 = ln(R 2)$ et $L 3 = ln(R 3)$ ,

$Y_1={1\over T_1+273,15}$ , $Y_2={1\over T_2+273,15}$ et $Y_3={1\over T_3+273,15}$ ,

puis : $\gamma_2={Y_2-Y_1\over L_2-L_1}$ et $\gamma_3={Y_3-Y_1\over L_3-L_1}$ . Dès lors :

$\Rightarrow C=\left( { \gamma_3 - \gamma_2 \over L_3 - L_2} \right)\times\left({1 \over L_1 + L_2 + L_3}\right)$

$\Rightarrow B=\gamma_2 - C.(L_1^2+L_1.L_2+L_2^2)$

$\Rightarrow A=Y_1 - (B+L_1^2.C).L_1$

Origines de la relation

Le nom de cette équation vient de John S. Steinhart et Stanley R. Hart qui ont été les premiers à la publier dans^[1]. C'est à la Carnegie Institution of Washington que la formule a été trouvée.

Le professeur Steinhart (1929-2003), était membre de l'université de Madison au Wisconsin de 1969 à 1991 [1].

Le docteur Hart, scientifique éminent de l'Institut océanographique de Woods Hole, était aussi membre entre autres de la Geological Society of America et de la (en)European Association of Geochemistry.

Références

↑ "Calibration curves for thermistors", Deep Sea Res., 15, 497-503 (1968).

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Catégorie :

Physique de la matière condensée

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