9. Терморезисторы — СтудИзба
Глава 9
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
§ 9.1. Назначение. Типы терморезисторов
Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от тем-гературы. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для !змерения температуры в широком диапазоне от —270 до 1600°С.
Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой сходится терморезистор, от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.
Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы.
Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5)10-3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С со-противление металлического терморезистора увеличивается на 0,4— 0,65%. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применяются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окисляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры прихо
дится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и
молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики не
сколько отличающиеся от образца к образцу.
‘
Широкое применение в автоматике получили полупроводнико
вые терморезисторы, которые для краткости называют термисто-
рами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов мар
ганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными пои-
месями и др. к
По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до —6 10-2 1/°С) Но этот коэффициент —отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими—непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термис-тор имеет нелинейную характеристику.
При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.
Рекомендуемые файлы
§ 9.2. Металлические терморезисторы
Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:
где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника; а —температурный коэффици-ент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.
Абсолютная температура (К) связана с температурой в градусах Цельсия соотношением Т К=273+Т°С.
Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при начальной температуре Т0и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление RT = T. Возьмем отношение
Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд: |
Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150°С может быть принята постоянной а=4,3-10-з 1/°с, то и произведение а (Г— Т0) в этом диапазоне температур меньше единицы.
Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше сопротивление при температуре Т через начальное сопротивление при То
Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой:
Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой:
гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопротивление 100,00 Ом при 0°С. Медные терморезисторы выполняются из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изоляции эмалью.
Для платиновых терморезисторов, которые применяются в более широком диапазоне температур, чем медные, следует учитывать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е*.
В диапазоне температур от —50 до 700°С достаточно точное является формула
где для платины =3,94 10-3 1/°С, = 5,8 10-7 (1/°С)2.
Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствующей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0°С, гр. 21—46,00 Ом; гр. 22—100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.
В табл. 9.1 приведены зависимости сопротивления металлических терморезисторов от температуры; они называются стандартными градуировочными таблицами.
На рис. 9.1 показано устройство платинового термометра сопротивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволоки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой.
Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Серебряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный чехол 7.
§ 9.3. Полупроводниковые терморезисторы
Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов = (4-6)*10-3 1/°С, то для полупроводниковых терморезисторов ||>4*10-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.
Основной характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от абсолютной температуры Т:
где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.
Сравнение формулы (9.6) с формулой (9.1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.
Вообще чувствительность терморезистора (как датчика температуры) можно оценить как относительное изменение его сопротивления (R/R), деленное на вызвавшее это изменение приращение температуры:
Для металлического терморезистора чувствительность можно получить дифференцируя (9.4). Следовательно, , т. е. именно температурный коэффициент сопротивления определяет чувствительность.
Для полупроводникового терморезистора (термистора) чувствительность получим, дифференцируя (9.6):
Из (9.9) видно, что чувствительность термистора имеет нелинейную зависимость от температуры.
Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобаль-тово-марганцевые (тип КМТ) термисторы.
На рис. 9.2 показаны зависимости сопротивления от температуры для термисторов этих типов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, больше для КМТ).
Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20°С называют номинальным или холодным сопротивлением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта величина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.
Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120°С, а для типа КМТ— 180°С.
Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 9.3 показаны некоторые конструкции термисторов.
Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 9.3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стержня /, покрытого эма-
левой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3.
Термис-торы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 9.3, б) также состоят из полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металлической фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышенной влажности.
На рис. 9.3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика / диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами помещен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от —70 до 4-250°С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.
§ 9.4. Собственный нагрев термисторов
Термисторы применяются в самых различных схемах автоматики, которые можно разделить на две группы. В первую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ— 2—5 мА. Во вторую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет
собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогревает его. Поскольку при повышении температуры сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему выделению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявляется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схемах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа. На рис.
9.4, а показана вольт-амперная характеристика термис-тора. При малых токах влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет пропорционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении тока (/>/доп) начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем термореле, стабилизатора напряжения и др.
Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристики термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 9.4, б представлена схема включения, а на рис. 9.4, в — характеристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора от сутствует добавочное сопротивление(RДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая UTна рис.
9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь термистора RTвключить добавочный резистор RДОБ(рис. 9.4, б) с прямолинейной характеристикой (кривая URна рис. 9.4, в). При графическом сложении этих двух характеристик {Ut+Ur) получим общую вольт-амперную характеристику U0(имеющую S-образный вид на рис. 9.4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле (см. гл. 26). Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 9.4, б) при плавном увеличении напряжения питания U0При достижении значения напряжения срабатывания Ucp(этому напряжению соответствует ток I1) ток скачком возрастает от значения 1 до существенно большего значения /2. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет плавно возрастать от I2. При уменьшении напряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I3(этому току соответствует напряжение отпускания U0T), а затем скачком падает до значения /4, после чего ток плавно уменьшается до—нуля.
Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а постепенно из-за инерционности термистора.
§ 9.5. Применение терморезисторов
При использовани терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом режиме температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.
При использовании терморезисторов в первом режиме они играют роль датчиков температуры и называются обычно термометрами сопротивления. Наибольшее распространение получили термометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.
В процессе измерения температуры с помощью термометров сопротивления могут возникать следующие погрешности: 1) от колебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием протекающего через него тока.
Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний питания используется измерительный прибор логомет.-рического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, одна из которых создает вращающий, а вторая — противодействующий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, зависящий от сопротивлеия терморезистора Rt. Вторая катушка питается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.
При колеоаниях напряжении питания
одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение будет оставаться постоянным.
В автоматических уровновешенных мостах колебание напряжения питания не приводит к появлению пропорциональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.
Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика.
Эта погрешность сводится к минимуму, если сопротивление датчика выбрать из условия намного больше Rпр, где Rпр— сопротивление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) Rпр может достигать 3—5 ОмЛЕще одним способом уменьшения погрешности от температурных изменений со-
противления соединительных проводов является применение «п»-гопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включения датчика RДв мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Сопротивления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия моста. Сопротивление проводов b вообще не входит в мостовую схему. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.
При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Передача теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.
Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользуются понятием «постоянная времени»:
коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения датчика со средой.
Если холодный датчик поместить в среду с температурой Тср(°С), то его температура будет изменяться во времени по следующему закону:
Чем больше постоянная времени т, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время датчик нагреется только до температуры Тср=0,63°С,
а за время / до температуры Т,ср=0>99оС. Графиком уравнения (9.11) является экспонента, показанная на рис. 1.3, в.
В лекции «9. Билеты для самотестирования по ключевым вопросам» также много полезной информации.
Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собственного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения различных физических величин, косвенно связанных с температурой.
Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоапемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую платиновую проволоку /, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но температура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет определяться скоростью газового потока, в который помещен датчик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отводиться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуи-ровочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при увеличении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20%.
На аналогичном принципе основана работа электрического газоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых терморезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекислого газа сопротивление терморезисторов будет разным.
Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с С02 будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.
Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в элек- • трическнх вакуумметрах. Чем глубже вакуум ( т. е. более разрежен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезистора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезистор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезистора будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.
Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы.
Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточно интенсивный собственный нагрев (до 200—500°С).
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ ММТ-1, ММТ-4
Назначение:
Терморезисторы прямого подогрева с отрицательным ТКС предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц в импульсных режимах, для измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
|
Терморезисторы ММТ-1 — негерметизированные, незащищенные, неизолированные.
Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду E6 с допуском ±20% |
|
Наименование
К продаже
Цена от
К продаже:
52 шт.
К продаже:
31 шт.
К продаже:
32 шт.К продаже:
3 шт.
К продаже:
14 шт.
К продаже:
98 шт.
Датчики температуры в автомобиле: общая информация. Как устроены температурные датчики: какие они бывают
Температурные датчики – элементы электрических цепей, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры.
Классификация:
По принципу работы:
Термовыключатели – работают по принципу ключа – при изменении температуры происходит скачкообразное изменение сопротивления:
1. при достижении определённой температуры сопротивление падает с единицы практически до нуля – термовыключатели работающие на замыкание.
2. при достижении определённой температуры сопротивление возрастает с нуля до единицы – термовыключатели работающие на размыкание.
Терморезисторы – меняют свое сопротивление постепенно в зависимости от температуры.
— терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (термисторы или NTC (Negative Temperature Coefficient) ). С увеличением температуры их сопротивление уменьшается.
— терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы или PTC (Positive Temperature Coefficient) — позисторы). С увеличением температуры их сопротивление возрастает.
По выполняемой функции:
1. Датчики включения вентилятора.
2. Датчики на температурную стрелку.
3. Датчики на систему впрыска.
Термовыключатели
Термовыключатели устанавливаются на большом круге циркуляции, как правило, на радиаторе охлаждения, либо рядом с ним.
Термовыключатели делятся на два вида:
— включения аварийной индикации
— включения вентилятора охлаждения
Температурные датчики — важные детали системы управления двигателем, участвующие в экономии топлива и уменьшении вредных выбросов.
Вместе с другими датчиками, температурные датчики передают электронному блоку управления двигателем (ЭБУ / ECU) данные, необходимые для управления впрыском топлива.
Существует несколько основных типов датчиков:
1. Датчики температуры охлаждающей жидкости. Их функция заключается в измерении температуры охлаждающей жидкости. Эти датчики устанавливаются в малом круге циркуляции охлаждающей жидкости и передают данные напрямую в ЭБУ. Диапазон измеряемых температур колеблется от -40 градусов до + 130 градусов.
2. Датчики температуры входящего воздуха. Устанавливаются на впускном тракте. Эти датчики измеряют температуру поступающего в двигатель воздуха, эти данные, в сочетании с данными, поступающими с датчика расхода воздуха, позволяют ЭБУ более точно рассчитывать массу поступившего в двигатель воздуха. Диапазон измеряемых температур колеблется от -40 градусов до + 120 градусов.
3. Датчики наружной температуры. Функция этих датчиков аналогична функции датчиков температуры входящего воздуха.
Отличие заключается в месте установки. Они устанавливаются не во впускном тракте.
В основе конструкции температурного датчика лежит терморезистор – полупроводник, электрическое сопротивление, которого изменяется в зависимости от температуры. По типу изменения сопротивления от температуры выделяют два типа терморезисторов:
— терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (термисторы или NTC (Negative Temperature Coefficient) — термисторы).
— терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы или PTC (Positive Temperature Coefficient) — позисторы).
Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления:
Их сопротивление определяется по формуле:
Rt – сопротивление терморезистора
R25 – сопротивление терморезистора при 25 градусах
B – константа (зависит от свойств материала из которого изготовлен терморезистор)
T – температура терморезистора
Из формулы видно, что чем выше температура, тем меньше сопротивление терморезистора.
График изменения сопротивления позистора в зависимости от температуры:
Устройство автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости:
Connector – электрический разъем для присоединения датчика к электропроводке автомобиля.
Metal body – корпус датчика
Gasket – уплотняющая прокладка
Thermistor — термистор
При неисправности термодатчика нужно проверить состояние разъема и корпуса датчика, при наличии повреждений требуется заменить датчик на новый.
Причины поломки термодатчиков:
— механическое повреждение датчика
— перегрев датчика
Признаки выхода из строя термодатчика:
— повышенный расход топлива
— потеря мощности
— перегрев двигателя
— включение аварийной индикации на приборной панели
— затруднённый запуск двигателя
— увеличение токсичности выхлопных газов
Обслуживание:
Требуется проверять работу температурных датчиков каждые 25000км. В случае нарушения работы датчика его необходимо заменить на новый.
В случае с датчиками температуры воздуха необходимо проводить регулярную очистку его от загрязнений, затрудняющих его работу.
Термодатчики охлаждающей жидкости затягиваются с усилием 30-50 Nm. Герметизирующую прокладку нельзя использовать повторно. Каждый раз при монтаже датчика требуется использовать новую прокладку.
Термистор принцип действия. Термистор что это. Что такое термистор его применение в электронике
Развитие электроники с каждым годом набирает обороты. Но, несмотря на новые изобретения, в электрических схемах надёжно работают устройства, сконструированные ещё в начале XX века. Один из таких приборов — термистор. Форма и назначение этого элемента настолько разнообразны, что быстро отыскать его в схеме удаётся только опытным работникам сферы электротехники. Понять, что такое термистор, можно лишь владея знаниями о строении и свойствах проводников, диэлектриков и полупроводников.
Описание прибора
Датчики температуры широко используются в электротехнике.
Почти во всех механизмах применяются аналоговые и цифровые микросхемы термометров, термопары, резистивные датчики и термисторы. Приставка в названии прибора говорит о том, что термистор — это такое устройство, которое зависит от влияния температуры. Количество тепла в окружающей среде — главенствующий показатель в его работе. Благодаря нагреванию или охлаждению, меняются параметры элемента, появляется сигнал, доступный для передачи на механизмы контроля или измерения.
Термистор — это прибор электроники, у которого значения температуры и сопротивления связаны обратной пропорциональностью.
Существуют и другое его название — терморезистор . Но это не вполне правильно, так как на самом деле термистор является одним из подвидов терморезистора . Изменение теплоты может влиять на сопротивление резистивного элемента двумя способами: либо увеличивая его, либо уменьшая.
Поэтому термосопротивления по температурному коэффициенту подразделяются на РТС (положительные) и NTC (отрицательные). РТС — резисторы получили название позисторов, а NTC — термисторов.
Отличие РТС и NTC приборов состоит в изменении их свойств при воздействии климатических условий. Сопротивление позисторов прямо пропорционально количеству тепла в окружающей среде. При нагреве NTC — приборов его значение уменьшается.
Таким образом, повышение температуры позистора приведёт к росту его сопротивления, а у термистора — к падению.
Вид терморезистора на электрических принципиальных схемах похож на обыкновенный резистор . Отличительной чертой является прямая под наклоном, которая перечёркивает элемент. Тем самым показывая, что сопротивление не постоянно, а может изменяться в зависимости от увеличения или уменьшения температуры в окружающей среде.
Основное вещество для создания позисторов — титанат бария. Технология изготовления NTC — приборов более сложная из-за смешивания различных веществ: полупроводников с примесями и стеклообразных оксидов переходных металлов.
Классификация термисторов
Габариты и конструкция терморезисторов различны и зависят от области их применения.
Форма термисторов может напоминать:
Самые маленькие терморезисторы в виде бусинок. Их размеры меньше 1 миллиметра, а характеристики элементов отличаются стабильностью. Недостатком является невозможность взаимной подмены в электрических схемах.
Классификация терморезисторов по числу градусов в Кельвинах:
- сверх высокотемпературные — от 900 до 1300;
- высокотемпературные — от 570 до 899;
- среднетемпературные — от 170 до 510;
- низкотемпературные — до 170.
Максимальный нагрев хоть и допустим для термоэлементов, но сказывается на их работе ухудшением качества и появлением значительной погрешности в показателях.
Технические характеристики и принцип действия
Выбор терморезистора для контролирующего или измерительного механизма проводят по номинальным паспортным или справочным данным. Принцип действия, основные характеристики и параметры термисторов и позисторов похожи. Но некоторые отличия все же существуют.
РТС — элементы оцениваются тремя определяющими показателями: температурной и статической вольт — амперной характеристикой, термическим коэффициентом сопротивления (ТКС).
У термистора список более широкий.
Помимо параметров, аналогичных позистору, показатели следующие:
- номинальное сопротивление;
- коэффициенты рассеяния, энергетической чувствительности и температуры;
- постоянная времени;
- температура и мощность по максимуму.
Из этих показателей основными, которые влияют на выбор и оценивание термистора, являются:
- номинальное сопротивление;
- термический коэффициент сопротивления;
- мощность рассеяния;
- интервал рабочей температуры.
Номинальное сопротивление определяется при конкретной температуре (чаще всего двадцать градусов Цельсия). Его значение у современных терморезисторов колеблется в пределах от нескольких десятков до сотен тысяч ом.
Допустима некоторая погрешность значения номинального сопротивления. Она может составлять не более 20% и должна быть указана в паспортных данных прибора.
ТКС зависит от теплоты. Он устанавливает величину изменения сопротивления при колебании температуры на одно деление. Индекс в его обозначении указывает на количество градусов Цельсия либо Кельвина в момент измерений.
Выделение теплоты на детали появляется из-за протекания по ней тока при включении в электрическую цепь. Мощность рассеяния — величина, при которой резистивный элемент разогревается от 20 градусов Цельсия до максимально допустимой температуры.
Интервал рабочей температуры показывает такое её значение, при котором прибор работает длительное время без погрешностей и повреждений.
Принцип действия термосопротивлений основан на изменении их сопротивления под влиянием теплоты.
Происходит это по нескольким причинам:
- из-за фазового превращения;
- ионы с непостоянной валентностью более энергично обмениваются электронами;
- сосредоточенность заряженных частиц в полупроводнике распределяется другим образом.
Термисторы используются в сложных устройствах, которые применяются в промышленности, сельском хозяйстве, схемах электроники автомобилей. А также встречаются в приборах, которые окружают человека в быту — стиральных, посудомоечных машинах, холодильниках и другом оборудовании с контролем температуры.
На основе полупроводника, значительно уменьшающий своё сопротивление при понижении температуры. На основе этих данных можно измерять температуру в понятном для микроконтроллёров виде.
Основным материалом для изготовления термистора (с отрицательным ТКС * ) служат поликристаллические оксидные полупроводники (окислы металлов ).
Существует также разновидность терморезисторов (с положительным ТКС * ) – позисторы . Их получают из титана вкупе с бариевой керамикой и редкоземельными металлами. Значительно увеличивают сопротивление при увеличении температуры . Основное применение – температурная стабилизация устройств на транзисторах.
Термистор изобретён Самуэлем Рубеном (Samuel Ruben ) в 1930 году.
Термисторы применяются в микроэлектронике для контроля температур, тяжёлой промышленности , мобильных измерительных устройствах , выполняют функцию защиты импульсных блоков питания от больших зарядных токов конденсаторов & etc .
Очень часто встречаются на компьютерных комплектующих.
Позволяют измерять температуру процессоров, систем питания, чипсетов, и прочих компонентов. Довольно надёжны, хотя не редок заводской брак, когда температура смещена на несколько десятков градусов, либо вообще находится в минусе.
Существуют также термисторы с собственным встроенным подогревом . Служат для ручного включения подогрева и подачи сигнала с резистора о изменении сопротивления, либо для контроля подачи питания сети (при отключении резистор перестанет нагреваться и изменит сопротивление).
Формы и размеры термисторов могут быть разными (диски, бусинки, цилиндры & etc ).
Основными характеристиками полупроводникового термистора являются: ТКС * , диапазон рабочих температур , максимально допустимая мощность рассеяния, номинальное сопротивление .
Термисторы (большинство) выносливы к различным температурам, механическим , к износу от времени, а при определённой обработке и к агрессивным химическим средам .
* Температурный Коэффициент Сопротивления
Здравствуйте любители электроники, сегодня рассмотрим радиокомпонент, который защищает вашу технику, что такое термистор его применение в электронике.
Этот термин, происходит от двух слов, термический и резистор, относящийся к полупроводникам. Его фишка в изменении своего электрического сопротивления, которая напрямую зависит от температуры.
Устройство термисторов
Все термисторы изготавливаются из материалов, у которых высокий температурный коэффициент сопротивления, популярный и пресловутый (ткс). Этот коэффициент намного, в несколько раз выше, чем у остальных металлов.
Изготавливаются термисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом, PTC и NTC соответственно. Вот отличная подсказка при нахождении этого прибора на плате, устанавливаются они в цепях питания электроники.
Где применяются, как работает термистор
Нашли широкое применение в электротехнике, особенно там, где весьма важен, особый контроль над температурным режимом. Очень важно их наличие в дорогостоящем оборудовании, компьютерной и промышленной технике.
Применяются для эффективного ограничения пускового тока, он и ограничивается термистором. Он изменяет своё сопротивление в зависимости от силы проходящего через него тока, по причине нагрева прибора.
Огромный плюс компонента, это способность восстанавливаться, через малое время при остывании.
Как можно проверить термистор мультиметром
Что такое термисторы и где они применяются, стало немного понятнее, продолжим изучать тему с его проверки.
Необходимо усвоить важное правило касающегося любого ремонта электроники, внешний, визуальный осмотр. Выискиваем следы перегрева, потемнение, просто изменение цвета, отколовшиеся частички корпуса, не оторвался ли, контактный вывод.
Тестер как обычно, включаем и производим замеры в режиме сопротивления. Подключаем к выводам термического резистора, при его исправном состоянии увидим сопротивление, указанное на корпусе.
Берем в руки зажигалку или паяльник, думаю, он у многих на столе живёт. Начинаем медленно нагрев, и наблюдаем на изменение сопротивления на приборе. При исправном термисторе, сопротивление должно снижаться, а поле некоторого времени, восстановиться.
Маркировка у термисторов различная, всё зависит от фирмы производителя, этому вопросу отдельную статью. В данном тексте, мы рассматриваем тему, что такое термистор и его применение в электроники.
Термистор (терморезистор) – твердотельный электронный элемент, внешне напоминающий постоянный резистор, но обладающий выраженной температурной характеристикой. Этот вид электронных приборов, как правило, используются для изменения аналогового выходного напряжения с учётом изменения окружающей температуры. Другими словами – электрические свойства термистора и принцип действия напрямую связаны с физическим явлением — температурой.
Термистор — термочувствительный полупроводниковый элемент, изготовленный на основе полупроводниковых оксидов металлов. Обычно имеет форму диска или шара с металлизированными или соединительными выводами.
Такие формы позволяют изменять резистивное значение пропорционально малым изменениям температуры. Для стандартных резисторов изменение сопротивления от нагрева видится нежелательным явлением.
Но этот же эффект видится удачным при построении многих электронных схем, требующих определения температуры.
Таким образом, будучи нелинейным электронным устройством с переменным сопротивлением, терморезистор успешно подходит для работы в качестве терморезистора-датчика. Такого рода датчики широко применяют для контроля температуры жидкостей и газов.
Выступая твердотельным устройством, изготовленным на основе высокочувствительных оксидов металлов, терморезистор работает на молекулярном уровне.
Валентные электроны становятся активными и воспроизводят отрицательный ТКС либо пассивными и тогда воспроизводят положительный ТКС.
В результате электронные приборы – термисторы, демонстрируют очень хорошую воспроизводимую резистивность, сохраняя эксплуатационные характеристики, позволяющие продуктивно работать в диапазоне температур до 200ºC.
Применение терморезисторов на практике
Базовым направлением применения, в данном случае, являются резистивные температурные датчики. Однако эти же электронные элементы, принадлежащие семейству резисторов, можно успешно использовать включенными последовательно с другими компонентами или устройствами.
Простые схемы включения терморезисторов, показывающие работу приборов в качестве температурных датчиков — своеобразных преобразователей напряжения за счёт изменения сопротивления
Такая схема включения позволяет контролировать ток, протекающий через компонент. Таким образом, термисторы, по сути, выступают ещё и токоограничителями.
Производятся термисторы разного типа, на основе различных материалов и отличаются по размерам в зависимости от времени отклика и рабочей температуры.
Существуют герметичные модификации приборов, защищённые от проникновения влаги. Есть конструкции под высокие рабочие температуры и компактные по размерам.
Следует выделить три наиболее распространенных типа терморезисторов:
- шариковые,
- дисковые,
- инкапсулированные.
Работают приборы в зависимости от изменения температуры:
- На уменьшение резистивного значения.
- На увеличение резистивного значения.
То есть существует два типа приборов:
- Обладающие отрицательным ТКС (NTC).
- Обладающие положительным ТКС (PTC).
Отрицательный коэффициент ТКС
NTC-термисторы с отрицательным ТКС уменьшают собственное резистивное значение по мере увеличения внешней температуры. Как правило, именно эти приборы чаще выступают датчиками температуры, поскольку идеально подходят практически к любому типу электроники, где требуется контроль температуры.
Относительно большой отрицательный отклик термистора NTC означает, что даже небольшие изменения температуры способны значительно изменить электрическое сопротивление прибора. Этот фактор делает модели NTC идеальными датчиками точного измерения температур.
Схема калибровки (проверки) терморезистора: 1 — источник питания; 2 — направление тока; 3 — испытуемый электронный элемент термистор; 4 — калибровочный микроамперметр
Терморезисторы NTC, снижающие сопротивление с повышением температуры, по исполнению доступны с различными базовыми сопротивлениями. Как правило, базовым сопротивлениям при комнатной температуре.
Например: 25ºC берётся за контрольную (базовую) температурную точку. Отсюда выстраиваются значения приборов, допустим, следующих номиналов:
- 2,7 кОм (25ºC),
- 10 кОм (25ºC)
- 47 кОм (25ºC)….
Другой важной характеристикой является значение «В». Величина «В» представляет собой постоянную константу, которая определяется керамическим материалом, из которого изготовлен термистор.
Этой же константой определяется градиент кривой резистивного отношения (R/T) в определенном температурном диапазоне между двумя температурными точками.
Каждый материал термистора имеет различную материальную константу и, следовательно, индивидуальную кривую отношения сопротивления и температуры.
Так, константа «B» определяет одно резистивное значение при базовой T1 (25ºС), и другое значение при Т2 (например, при 100ºC).
Следовательно, значение B определит постоянную константу материала термистора, ограниченную диапазоном T1 и T2:
B * T1 / T2 (B* 25 / 100)
p.s. значения температуры в расчётах берутся в градуировке Кельвина.
Отсюда вытекает, что имея значение «В» (из характеристики производителя) конкретного прибора, электронщику останется только создать таблицу температур и сопротивлений, чтобы построить подходящий график при помощи следующего нормированного уравнения:
B (T1/T2) = (T 2 * T 1 / T 2 – T 1) * ln(R1/R2)
где: T 1 , T 2 – температуры в градусах Кельвина; R 1 , R 2 – сопротивления при соответствующих температурах в Омах.
Так, например, термистор NTK, обладающий сопротивлением 10 кОм, имеет значение «В» равным 3455 в рамках температурного диапазона 25 — 100ºC.
Очевидный момент: термисторы экспоненциально меняют сопротивление с изменениями температуры, поэтому характеристическая нелинейная. Чем больше контрольных точек устанавливаются, тем точнее получается кривая.
Применение термистора в роли активного датчика
Поскольку прибор является активным типом датчика, для работы требуется сигнал возбуждения. Любые изменения сопротивления в результате изменения температуры преобразуются в изменение напряжения.
Промышленностью выпускаются термисторы разного исполнения, в том числе высокоточные, надёжно защищённые для применения в системах высокого уровня
Самый простой способ добиться подобного эффекта — использовать термистор как часть схемы делителя потенциала, как показано на рисунке ниже. Постоянное напряжение подаётся в цепь резистора и терморезистора.
К примеру, используется схема, где термистор 10 кОм включен последовательно с резистором 10 кОм. В этом случае выходное напряжение при базовой Т = 25ºC составит половину напряжения питания.
Таким образом, схема делителя потенциалов является примером простого преобразователя сопротивления в напряжение. Здесь сопротивление термистора регулируется температурой с последующим формирования величины выходного напряжения, пропорциональной температуре.
Простыми словами: чем теплее корпус термистора, тем ниже напряжение на выходе.
Между тем, если изменить положение последовательного резистора, R S и термистора R TH , в этом случае уровень выходного напряжения изменится на противоположный вектор. То есть теперь чем больше нагреется термистор, тем выше будет уровень выходного напряжения.
Использовать термисторы допускается и как часть базовой конфигурации с использованием мостовой схемы. Связью между резисторами R1 и R2 устанавливается опорное напряжение до требуемого значения. Например, если R1 и R2 имеют одинаковые значения сопротивления, опорное напряжение равно половине напряжения питания (V/2).
Схема усилителя, построенная с использованием этой мостовой схемы с термозондом, может выступать в качестве высокочувствительного дифференциального усилителя или в качестве простой схемы запуска Шмитта с функцией переключения.
Включение терморезистора в мостовую схему: R1, R2, R3 -обычные постоянные резисторы; Rт — термистор; А — измерительный прибор микроамперметр
Существует проблема, связанная с термистор (эффект «самонагрева»). В таких случаях рассеиваемая мощность I 2 R достаточно высока и создаёт больше тепла, чем способен рассеять корпус прибора. Соответственно, это «лишнее» тепло влияет на резистивное значение, что приводит к ложным показаниям.
Одним из способов избавления от эффекта «самонагрева» и получения более точного изменения сопротивления от влияния температуры (R/T), видится питание термистора от постоянного источника тока.
Термистор как регулятор пускового тока
Приборы традиционно используются в качестве резистивных чувствительных к температуре преобразователей. Однако сопротивление термистора изменяется не только под влиянием окружающей среды, но также изменения наблюдаются от протекающего через прибор электротока. Эффект того самого «самонагрева».
Разное электрооборудование на индуктивной составляющей:
- двигатели,
- трансформаторы,
- электролампы,
- другое,
подвергается чрезмерным пусковым токам при первом включении. Но если в цепь последовательно включить термистор, можно эффективно ограничивать высокий начальный ток. Такое решение способствует увеличению срока службы электрооборудования.
Терморезисторы с низким ТКС (при 25°C) обычно используются для регулирования пускового тока. Так называемые ограничители тока (перенапряжения) меняют сопротивление до очень низкого значения при прохождении тока нагрузки.
В момент первоначального включения оборудования пусковой ток проходит через холодный термистор, резистивное значение которого достаточно велико. Под воздействием тока нагрузки термистор нагревается, сопротивление медленно уменьшается. Так осуществляется плавная регулировка тока в нагрузке.
Термисторы NTC достаточно эффективно обеспечивают защиту от нежелательно высоких пусковых токов. Преимущественной стороной здесь является то, что этот тип приборов способен эффективно обрабатывать более высокие пусковые токи по сравнению с резисторами стандартного образца.
Метки:
NTC и PTC термисторы
В настоящий момент промышленность выпускает огромный ассортимент терморезисторов , позисторов и NTC-термисторов. Каждая отдельная модель или серия изготавливается для эксплуатации в определённых условиях, на них накладываются определённые требования.
Поэтому от простого перечисления параметров позисторов и NTC-термисторов толку будет мало. Мы пойдём немного другим путём.
Каждый раз, когда в ваши руки попадает термистор с легко читаемой маркировкой, необходимо найти справочный листок, или даташит на данную модель термистора.
Кто не в курсе, что такое даташит, советую заглянуть на эту страницу . В двух словах, даташит содержит информацию по всем основным параметрам данного компонента. В этом документе перечислено всё, что нужно знать, чтобы применить конкретный электронный компонент.
У меня в наличии оказался вот такой термистор. Взгляните на фото. Поначалу о нём я не знал ничего. Информации было минимум. Судя по маркировке это PTC-термистор, то есть позистор. На нём так и написано — PTC. Далее указана маркировка C975.
Сперва может показаться, что найти хоть какие то сведения о данном позисторе вряд ли удастся. Но, не стоит вешать нос! Открываем браузер, вбиваем в гугле фразу типа этих: «позистор c975», «ptc c975», «ptc c975 datasheet», «ptc c975 даташит», «позистор c975 даташит». Далее остаётся лишь найти даташит на данный позистор. Как правило, даташиты оформляются как pdf-файл.
Из найденного даташита на PTC C975 , я узнал следующее. Выпускает его фирма EPCOS. Полное название B59975C0160A070 (серия B599*5). Данный PTC-термистор применяется для ограничения тока при коротком замыкании и перегрузках. Т.е. это своеобразный предохранитель.
Приведу таблицу с основными техническими характеристиками для серии B599*5, а также краткую расшифровку всего того, что обозначают все эти циферки и буковки.
Теперь обратим своё внимание на электрические характеристики конкретного изделия, в нашем случае это позистор PTC C975 (полная маркировка B59975C0160A070). Взгляните на следующую таблицу.
I R — Rated current (mA). Номинальный ток. Это ток, который выдерживает данный позистор в течение длительного времени. Я бы его ещё назвал рабочим, нормальным током. Для позистора C975 номинальный ток составляет чуть более полуампера, а конкретно — 550 mA (0,55A).
I S — Switching current (mA). Ток переключения. Это величина тока, протекающего через позистор, при котором его сопротивление начинает резко возрастать. Таким образом, если через позистор C975 начнёт протекать ток более 1100 mA (1,1A), то он начнёт выполнять свою защитную функцию, а точнее начнёт ограничивать протекающий через себя ток за счёт роста сопротивления. Ток переключения (I S ) и опорная температура (T ref ) связаны, так как ток переключения вызывает разогрев позистора и его температура достигает уровня T ref , при которой сопротивление позистора возрастает.
I Smax — Maximum switching current (A). Максимальный ток переключения. Как видим из таблицы, для данной величины указывается ещё и значение напряжения на позисторе — V=V max . Это неспроста. Дело в том, что любой позистор может поглотить определённую мощность. Если она превысит допустимую, то он выйдет из строя.
Поэтому для максимального тока переключения указывается и напряжение. В данном случае оно равно 20 вольтам. Перемножив 3 ампера на 20 вольт, мы получим мощность в 60 Вт. Именно такую мощность может поглотить наш позистор при ограничении тока.
I r — Residual current (mA). Остаточный ток. Это остаточный ток, который протекает через позистор, после того, как тот сработал, начал ограничивать ток (например, при перегрузке). Остаточный ток поддерживает подогрев позистора для того, чтобы он был в «разогретом» состоянии и выполнял функцию ограничения тока до тех пор, пока причина перегрузки не будет устранена. Как видим, в таблице указано значение этого тока для разного напряжения на позисторе. Одно для максимального (V=V max ), другое для номинального (V=V R ). Не трудно догадаться, что перемножив ток ограничения на напряжение, мы получим мощность, которая требуется для поддержания нагрева позистора в сработавшем состоянии. Для позистора PTC C975 эта мощность равна 1,62 ~ 1,7 Вт.
Что такое R R и R min нам поможет понять следующий график.
R min — Minimum resistance (Ом). Минимальное сопротивление. Наименьшее значение сопротивления позистора. Минимальное сопротивление, которое соответствует минимальной температуре, после которой начинается диапазон с положительным ТКС. Если детально изучить графики для позисторов, то можно заметить, что до значения T Rmin сопротивление позистора наоборот уменьшается. То есть позистор при температурах ниже T Rmin ведёт себя как «очень плохой» NTC-термистор и его сопротивление снижается (незначительно) с ростом температуры.
R R — Rated resistance (Ом). Номинальное сопротивление. Это сопротивление позистора при какой-то ранее оговоренной температуре. Обычно это 25°С (реже 20°С ). Проще говоря, это сопротивление позистора при комнатной температуре, которое мы можем легко измерить любым мультиметром .
Approvals — в дословном переводе это одобрение. То есть одобрено такой-то организацией, которая занимается контролем качества и пр. Особо не интересует.
Ordering code — серийный номер. Тут, думаю, понятно. Полная маркировка изделия. В нашем случае это B59975C0160A070.
Из даташита на позистор PTC C975 я узнал, что применить его можно в качестве самовосстанавливающегося предохранителя . Например, в электронном устройстве, которое в рабочем режиме потребляет ток не более 0,5А при напряжении питания 12V.
Теперь поговорим о параметрах NTC-термисторов. Напомню, что NTC-термистор имеет отрицательный ТКС. В отличие от позисторов, при нагреве сопротивление NTC-термистора резко падает.
В наличии у меня оказалось несколько NTC-термисторов. В основном они были установлены в блоках питания и всяких силовых агрегатах. Их назначение — ограничение пускового тока. Остановился я вот на таком термисторе. Давайте узнаем его параметры.
На корпусе указана лишь такая маркировка: 16D-9 F1 . После недолгих поисков в интернете удалось найти даташит на всю серию NTC-термисторов MF72. Конкретно наш экземпляр, это MF72-16D9 . Данная серия термисторов используется для ограничения пускового тока. Далее на графике наглядно показано, как работает NTC-термистор.
В начальный момент, когда включается устройство (например, импульсный блок питания ноутбука, адаптер, компьютерный БП, зарядное устройство), сопротивление NTC-термистора велико, и он поглощает импульс тока. Далее он разогревается, и его сопротивление уменьшается в несколько раз.
Пока устройство работает и потребляет ток, термистор находится в нагретом состоянии и его сопротивление мало.
В таком режиме термистор практически не оказывает сопротивление протекающему через него току. Как только электроприбор будет отключен от источника питания, термистор остынет и его сопротивление вновь увеличится.
Обратим свой взор на параметры и основные характеристики NTC-термистора MF72-16D9. Взглянем на таблицу.
R 25 — Номинальное сопротивление термистора при температуре 25°С (Ом). Сопротивление термистора при температуре окружающей среды 25°С. Это сопротивление легко измерить мультиметром . Для термистора MF72-16D9 это 16 Ом. По сути R 25 — это то же самое, что и R R (Rated resistance) для позистора.
Max. Steady State Current — Максимальный ток термистора (A). Максимально возможный ток через термистор, который он может выдержать в течение длительного времени. Если превысить максимальный ток, то произойдёт лавинообразное падение сопротивления.
Approx. R of Max. Current — Сопротивление термистора при максимальном токе (Ом). Приблизительное значение сопротивления NTC-термистора при максимальном протекающем токе. Для NTC-термистора MF72-16D9 это сопротивление равно 0,802 Ома. Это почти в 20 раз меньше, чем сопротивление нашего термистора при температуре в 25°С (когда термистор «холодный» и не нагружен протекающим током).
Dissip. Coef. — Коэффициент энергетической чувствительности (mW/°C). Чтобы внутренняя температура термистора изменилась на 1°С, он должен поглотить некоторое количество мощности. Отношение поглощаемой мощности (в мВт) к изменению температуры термистора и показывает данный параметр. Для нашего термистора MF72-16D9 данный параметр составляет 11 миллиВатт/1°С.
Напомню, что при нагреве NTC-термистора его сопротивление падает. Для его разогрева расходуется протекающий через него ток. Следовательно, термистор будет поглощать мощность. Поглощённая мощность приводит к нагреву термистора, а это в свою очередь ведёт к уменьшению сопротивления NTC-термистора в 10 — 50 раз.
Thermal Time Constant — Постоянная времени охлаждения (S). Время, за которое температура ненагруженного термистора изменится на 63,2% от разности температуры самого термистора и окружающей среды. Проще говоря, это время, за которое NTC-термистор успевает остыть, после того, как через него перестанет протекать ток. Например, когда блок питания отключат от электросети.
Max. Load Capacitance in μF — Максимальная ёмкость разряда . Тестовая характеристика. Показывает ёмкость, которую можно разрядить на NTC-термистор через ограничительный резистор в тестовой схеме без его повреждения. Ёмкость указывается в микрофарадах и для конкретного напряжения (120 и 220 вольт переменного тока (VAC)).
Tolerance of R 25 — Допуск . Допустимое отклонение сопротивления термистора при температуре 25°С. Иначе, это отклонение от номинального сопротивления R 25 . Обычно допуск составляет ±10 — 20%.
Вот и все основные параметры термисторов. Конечно, есть и другие параметры, которые могут встретиться в даташитах, но они, как правило, легко высчитываются из основных параметров.
Надеюсь теперь, когда вы встретите незнакомый вам электронный компонент (не обязательно термистор), вам будет легко разузнать его основные характеристики, параметры и назначение.
Как выбрать правильный термистор для вашего приложения измерения температуры — Аналоговый — Технические статьи
Другие части, обсуждаемые в сообщении: TMP61Сегодня на рынке представлены тысячи термисторов, и найти подходящий для вашего приложения измерения температуры можно сбивать с толку. В этой технической статье я расскажу о некоторых важных параметрах, которые необходимо учитывать при выборе термистора, особенно если вы выбираете между двумя популярными типами термисторов для измерения температуры: термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). или линейные термисторы на основе кремния.Термисторы NTC часто используются из-за их очень низкой цены, но они обеспечивают низкую точность при экстремальных температурах. Линейные термисторы на основе кремния обеспечивают более высокую производительность и высокую точность в более широком диапазоне температур, но обычно это происходит по более высокой цене. Как мы увидим в тексте ниже, на рынке появляются дополнительные варианты линейных термисторов, которые обеспечивают более экономичные и высокопроизводительные варианты, помогающие решить широкий спектр задач измерения температуры без увеличения общей стоимости решения.
Правильный термистор для вашего применения будет зависеть от многих параметров, таких как:
- Стоимость спецификации.
- Допуск сопротивления.
- Точки калибровки.
- Чувствительность (изменение сопротивления на градус Цельсия).
- Самонагрев и отклонение датчика.
Стоимость спецификации
Сами термисторы— недорогие устройства. Поскольку они дискретны, их падение напряжения можно изменить с помощью дополнительных схем.Например, если вы используете термистор NTC, который является нелинейным, и предпочитаете иметь линейное падение напряжения на вашем устройстве, вы можете добавить дополнительные резисторы, чтобы помочь достичь этой характеристики. Однако другой альтернативой, которая уменьшит BOM и общую стоимость решения, является использование линейного термистора, который уже обеспечивает желаемое падение напряжения. Хорошая новость заключается в том, что вы можете найти оба варианта термистора по схожей цене благодаря нашему новому семейству линейных термисторов, которые помогают инженерам упростить конструкцию, снизить стоимость системы и уменьшить размер макета печатной платы (PCB) как минимум на 33%.
Допуск сопротивления
Термисторыклассифицируются по допуску на сопротивление при 25 ° C, но это не совсем раскрывает всю историю их изменения в зависимости от температуры. Важно рассчитать допуск для конкретного интересующего вас температурного диапазона, используя минимальные, типичные и максимальные значения сопротивления, указанные в таблице зависимости сопротивления устройства от температуры (R-T), которую вы можете найти в инструменте проектирования или в техническом паспорте.
Чтобы проиллюстрировать, как допуск меняется в зависимости от технологии термистора, давайте сравним NTC и наш термистор на кремниевой основе TMP61, которые оба рассчитаны на допуск сопротивления ± 1%.На рис. 1 показано, что по мере того, как температура опускается ниже 25 ° C, оба устройства увеличивают допустимое сопротивление сопротивления, но между ними существует очень большая разница при экстремальных температурах. Важно рассчитать эту разницу, чтобы вы могли выбрать устройство с низким допуском для вашего интересующего температурного диапазона.
Рисунок 1: Допуск сопротивления: NTC по сравнению с TMP61
Точки калибровки
Незнание того, где находится ваш термистор в пределах допустимого диапазона сопротивления, может снизить производительность вашей системы, поскольку вам потребуется больший предел погрешности.Калибровка подскажет вам, какие значения сопротивления следует ожидать, что может помочь вам значительно уменьшить погрешность. Однако это дополнительный этап в производственном процессе, поэтому вам следует постараться свести калибровку к минимуму.
Количество необходимых точек калибровки зависит от типа используемого термистора и температурного диапазона вашего приложения. Для узких диапазонов температур для большинства термисторов подходит одна точка калибровки. Для приложений, требующих широкого диапазона температур, у вас есть два варианта: 1) откалибровать три раза с помощью NTC (это связано с их низкой чувствительностью и высоким допуском сопротивления при экстремальных температурах) или 2) откалибровать один раз с помощью линейного термистора на основе кремния, который значительно более стабилен, чем NTC.
Чувствительность
Наличие большого изменения сопротивления на градус Цельсия (чувствительности) — это всего лишь одна часть головоломки при попытке получить хорошую точность от термистора. Однако большая чувствительность не будет очень полезной, если у вас нет правильных значений сопротивления в программном обеспечении, путем калибровки или выбора термистора с низким допуском сопротивления.
NTCимеют очень большую чувствительность при низких температурах, учитывая экспоненциальное уменьшение значений сопротивления, но чувствительность резко снижается при повышении температуры.Линейные термисторы на основе кремния не имеют большого колебания чувствительности, как у NTC, что позволяет проводить стабильные измерения во всем диапазоне температур. При повышении температуры чувствительность линейных термисторов на основе кремния обычно превышает чувствительность NTC примерно при 60 ° C.
Самонагрев и отклонение датчика
Термисторырассеивают потребляемую мощность в виде тепла, что может повлиять на точность их измерения. Количество рассеиваемого тепла зависит от многих параметров, включая состав материала и ток, проходящий через устройство.
Дрейф сенсора — это величина, на которую термистор смещается с течением времени, и обычно указывается в технических паспортах с помощью ускоренных испытаний на срок службы и выражается в процентном изменении значения сопротивления. Если ваше приложение требует длительного срока службы с постоянной чувствительностью и точностью, ищите термистор с низким самонагревом и дрейфом датчика.
Итак, когда вам следует использовать линейный термистор на основе кремния, такой как TMP61, вместо NTC?
Взглянув на таблицу 1, вы можете увидеть, что при той же цене практически любая ситуация, которая находится в пределах указанной рабочей температуры кремниевых линейных термисторов, может выиграть от их линейности и стабильности.Линейные термисторы на основе кремния также доступны как в коммерческом, так и в автомобильном вариантах и поставляются в стандартных корпусах 0402 и 0603, общих для NTC устройств поверхностного монтажа.
| Параметр | Термисторы NTC | TI линейный термистор на основе кремния |
| Стоимость спецификации | От низкого до среднего:
| Низкий:
|
| Допуск сопротивления | Большой:
| Малый:
|
| Чувствительность | Несоответствие:
| Согласованный:
|
| Точки калибровки | Несколько:
| Один:
|
| Самонагрев и отклонение датчика | Высокая:
| Минимум:
|
Таблица 1: NTC vs.Линейные термисторы на кремниевой основе TI
Для получения полных таблиц R-T термисторов TI и простых методов преобразования температуры с примерами кода загрузите наш инструмент для проектирования термисторов.
Дополнительные ресурсы
Как выбрать термистор NTC
Приложения
- Измерение температуры
- Температурная компенсация
- Контроль температуры
- Диапазон температур
- При выборе датчика температуры в первую очередь следует учитывать температурный диапазон применения.
- Поскольку термисторы NTC хорошо работают в рабочем диапазоне от -50 ° C до 250 ° C, они хорошо подходят для широкого спектра применений во многих различных отраслях промышленности.
- Точность
- Из основных типов датчиков способность термистора NTC обеспечивать наивысшую точность находится в диапазоне от -50 ° C до 150 ° C и до 250 ° C для термисторов в стеклянной капсуле.
- Диапазон точности от 0,05 ° C до 1,00 ° C.
- Устойчивость
- Стабильность важна в приложениях, где целью является длительная работа.Датчики температуры могут дрейфовать со временем, в зависимости от их материалов, конструкции и упаковки.
- Термистор NTC с эпоксидным покрытием может изменяться на 0,2 ° C в год, в то время как герметичный термистор изменяется всего на 0,02 ° C в год.
- Упаковка
- Требования к упаковке продиктованы средой, в которой будет использоваться датчик. Термисторы
- NTC могут быть адаптированы и помещены в различные корпуса в зависимости от требований применения.Они также могут быть покрыты эпоксидной смолой или залиты стеклом для дополнительной защиты.
- Помехозащищенность
- Термисторы NTC обладают отличной устойчивостью к электрическим помехам и сопротивлением выводов.
Дополнительные соображения
- Термисторы NTC обладают определенными электрическими свойствами:
- Токовая характеристика
- Вольт-амперная характеристика
- Температурно-сопротивляемая характеристика
- Тип и размер продукта
- Пользователь термистора обычно знает, что ему нужно с точки зрения размера, теплового отклика, времени отклика и других физических характеристик, которые входят в конфигурацию термистора.Должно быть легко сузить выбор термисторов NTC даже при отсутствии данных, но необходимо провести тщательный анализ предполагаемого применения термистора.
- Кривые зависимости сопротивления от температуры
- Листы технических данных Ametherm содержат таблицу или матрицу отношений сопротивлений в зависимости от температуры для каждого из их термисторов NTC. Коэффициенты α и β также предоставляются для конкретных уравнений, чтобы помочь пользователю или разработчику преобразовать допуск сопротивления с точки зрения точности температуры, а также рассчитать температурный коэффициент для каждой кривой.
- Существует довольно широкий спектр материалов, которые можно использовать для изготовления термисторов, но существуют ограничения в зависимости от размера, диапазона рабочих температур и температур хранения, а также номинальных значений сопротивления.
- Номинальное значение сопротивления
- Следующий фактор, который следует учитывать, — это то, нужно ли приложение согласовывать по кривой или по точкам. Это позволит рассчитать необходимое номинальное значение сопротивления при заданной температуре.
Ametherm предлагает полный диапазон значений номинального сопротивления для своих термисторов NTC. Стандартная эталонная температура составляет 25 ° C, но покупатели и дизайнеры могут запросить другую температуру. - Предупреждение: если желаемое сопротивление недоступно в сочетании типа продукта и компонента материала, необходимо принять решение о том, какая характеристика имеет приоритет: тип / размер продукта, предпочтение материала или коэффициент сопротивления.
- Следующий фактор, который следует учитывать, — это то, нужно ли приложение согласовывать по кривой или по точкам. Это позволит рассчитать необходимое номинальное значение сопротивления при заданной температуре.
- Допуск сопротивления
- При просмотре технических характеристик продукции компания Ametherm предоставляет стандартные допуски.Например, дисковые термисторы или термисторы с микросхемой обычно имеют распределение сопротивления при нулевой мощности от ± 1% до ± 20%.
- Чтобы сэкономить на затратах, Ametherm рекомендует спецификации с максимально широким допуском, относящимся к предполагаемому использованию.
Типы термисторов NTC
- Диск и микросхема: Они поставляются с покрытием или без покрытия с неизолированными или лужеными медными выводами. Существуют термисторы с широким диапазоном значений сопротивления, которые подходят для любой ситуации.
- Эпоксидное покрытие: Эпоксидное покрытие, нанесенное методом погружения, и припаянное между тефлоновыми / ПВХ проводами в оболочке. Их небольшие размеры позволяют легко устанавливать, и они могут быть совмещены по точкам или по кривой.
- Стекло-инкапсулированный: Отличный выбор при работе в экстремальных условиях окружающей среды и когда стабильность имеет первостепенное значение. Конфигурации включают
термисторов с радиальными или осевыми выводами. - Зонд в сборе: Доступен в различных корпусах
в зависимости от требований приложения. - Поверхностный монтаж: Варианты конфигурации включают навал, на ленту и катушку, двусторонний и наматывающий с наконечниками из палладиевого серебра. Эти термисторы, изготовленные из никелевого барьера, отлично подходят для прецизионных схем.
Расчеты, которые могут вам понадобиться
- α — константа (% / ° C)
Температурный коэффициент сопротивления — это отношение при заданной температуре T скорости изменения сопротивления при нулевой мощности с температурой к сопротивлению при нулевой мощности термистора. . - β — постоянная (° K)
Постоянная материала термистора NTC является мерой его сопротивления при одной температуре по сравнению с его сопротивлением при другой температуре. Эталонные температуры, используемые в следующей формуле для термисторов Ametherm, составляют 298,15 ° K и 348,15 ° K.
Вы можете рассчитать сопротивление термисторов NTC при заданной температуре, используя бета-коэффициент, как показано выше, но есть еще более точный способ сделать это с помощью уравнения Стейнхарта и Харта.
Вы можете измерить температурный диапазон термистора NTC с мостом Уитстона.
Дополнительные ресурсы
- Что такое термистор NTC
Резюме: объясняет, что такое термистор NTC и его возможности в качестве датчика температуры. Описываются термисторы и датчики NTC Ametherm, а также используемая терминология. - Термисторы NTC — Измерение температуры с помощью моста Уитстона
Резюме: Мост Уитстона — один из самых простых способов измерения температуры и объясняет, как она рассчитывается, на конкретном примере с определенными переменными.Также предоставляется диаграмма зависимости температуры от вольт. - Термисторы NTC — Расчет бета-значения для термисторов NTC
Резюме: объясняет, почему значение бета, хотя и часто используется, не так точно, как использование уравнения Стейнхарта и Харта. Уравнение Стейнхарта и Харта использует три температуры в заданном диапазоне. - Термисторы NTC — уравнение Стейнхарта и Харта
Резюме: Это уравнение, вероятно, лучше всего использовать при определении зависимости сопротивления от температуры термисторов NTC и узлов датчиков NTC, учитывая, что в уравнении используются три температуры.В этой статье рассказывается, какое уравнение использовать в вашем конкретном приложении.
CN0545 Примечание по схеме | Аналоговые устройства
Введение в термистор
Термисторы — недорогие нелинейные резисторы, сопротивление которых сильно зависит от температуры. В прецизионных приложениях чаще всего используются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) также доступны, но обычно используются в системах безопасности или в качестве восстанавливаемых предохранителей. Термистор PTC демонстрирует лишь небольшое изменение сопротивления в зависимости от температуры до тех пор, пока не будет достигнута его точка Кюри (или точка переключения), выше которой увеличение сопротивления на несколько порядков происходит на несколько десятков ° C. Точка переключения термистора PTC обычно составляет от 60 ° C до 120 ° C. Напротив, термисторы NTC можно использовать в гораздо более широком диапазоне температур, обычно от -50 ° C до + 150 ° C, и подходят для широкого спектра применений, включая промышленную автоматизацию, контрольно-измерительную аппаратуру и медицину.
Термисторыработают аналогично RTD, но являются керамическими, полимерными или полупроводниковыми (обычно оксидами металлов) и могут иметь гораздо большую чувствительность и температурные коэффициенты, чем RTD. Высокая чувствительность термистора является явным преимуществом перед RTD, поскольку нет необходимости компенсировать сопротивление проводов. Эти датчики классифицируются по номинальному сопротивлению при 25 ° C, которое находится в диапазоне от 1 кОм до 10 МОм.
На рис. 2 показана температурная характеристика типичного термистора NTC 10 кОм.Обратите внимание на характеристики высокой нелинейности, показанные на рисунке 2, а это означает, что измеренное сопротивление требует линеаризации для обеспечения точных значений температуры.
Рисунок 2. Характеристики отклика термистора NTC 10 кОмСуществует несколько отраслевых стандартов, которые определяют пределы допуска и точности термисторного датчика. Для схемы на Рисунке 1 использовался термисторный датчик типа 44031 NTC 10 кОм, рассчитанный на измерения в диапазоне от -50 ° C (441,117 кОм) до + 150 ° C (237,17 кОм).16 Ом). Сопротивление составляет 10 кОм при + 25 ° C с точностью ± 0,1 ° C от 0 ° C до + 70 ° C и температурным диапазоном ± 1 ° C в более широком диапазоне температур.
Передаточная функция термистора
Сопротивление термисторов NTC уменьшается с увеличением температуры. Уравнение Стейнхарта-Харта — это эмпирическое выражение, которое было определено как лучшее математическое выражение для корректировки нелинейного отклика (зависимости сопротивления от температуры) типичных термисторов NTC.
Уравнение Стейнхарта-Харта для температуры как функции сопротивления следующее:
где:
T — температура в градусах Кельвина.
A, B, и C — константы, полученные из трех температурных контрольных точек.
R TH — сопротивление термистора в Ом.
Значения A, B и C зависят от конкретной модели термистора, которую можно найти в листе технических данных выбранного термистора.Если в таблице данных указаны значения A, B и C, это уравнение можно использовать непосредственно для расчета температуры как функции измеренного сопротивления.
Для этой схемы использовался термистор номер модели 44031 (10 кОм), а константы Стейнхарта-Харта для этой модели равны A = 1,032 × 10 −3 , B = 2,387 × 10 −4 и C = 1,580 × 10 −7 .
Некоторые производители термисторов NTC не предоставляют значения для констант A, B и C. Вместо этого термистор определяется с единственной постоянной бета (β), представляющей изменение сопротивления, вычисляемой с использованием значения сопротивления при двух указанных температурах.Если в техническом описании термистора NTC указано только значение β, для определения температуры используйте следующее уравнение:
где:R — сопротивление термистора в Ом.
R 0 — сопротивление при температуре T 0 (25 ° C = 298,15 ° K).
T — температура в Кельвинах.
T 0 = (25 ° C = 298,15 К).
Обратите внимание, что уравнение 2 по существу является уравнением Стейнхарта – Харта с A = (1 / T0) — (1 / β) (lnR0), B = 1 / β и C = 0.
При проектировании термистора важно оптимизировать диапазон рабочих температур системы, используя ожидаемое сопротивление термистора при минимальной и максимальной температурах. Чтобы определить сопротивление термистора в определенной температурной точке, используйте следующее уравнение, обратное уравнению Стейнхарта-Харта:
где:
R TH — сопротивление термистора в Ом.
Измерения термистора
Термисторыимеют большее изменение сопротивления на ° C по сравнению с датчиками температуры других типов.Например, термистор 10 кОм имеет сопротивление 10 кОм при 25 ° C. При температуре −50 ° C сопротивление термистора NTC составляет 441,117 кОм. Следовательно, уровни сигнала выше по сравнению с другими резистивными датчиками температуры, такими как RTD. Возбуждение термистора даже минимально возможным током возбуждения, доступным в AD7124-4 / AD7124-8, нецелесообразно, поскольку термистор имеет тенденцию генерировать высокое выходное напряжение при более низких температурах. Например, ток возбуждения 50 мкА генерирует напряжение 441 мА.117 кОм × 50 мкА = 22 В при измерении температуры −50 ° C. Этот уровень напряжения выходит за пределы указанного диапазона AD7124-4 / AD7124-8.
Простой подход к измерению R TH заключается в последовательном подключении термистора к резистору считывания 0,01% (R SENSE ) как части цепи делителя потенциала (см. Рисунок 1). Постоянное напряжение возбуждения используется для генерации напряжения на R TH , и это напряжение затем преобразуется в точное цифровое представление с помощью 24-битного Σ-Δ АЦП.Это измеренное напряжение используется для расчета тока, протекающего через R SENSE , который является тем же током, который протекает через R TH . Следовательно, определяя значение R TH .
Значение R SENSE равно величине R TH при базовой температуре 25 ° C, так что выходное напряжение находится в средней точке при номинальной температуре. Когда температура изменяется, R TH также изменяется, и доля напряжения возбуждения на термисторе также изменяется, создавая выходное напряжение, которое пропорционально R TH .
Используя выбранное опорное напряжение для питания термистора и / или R SENSE и используя это же опорное напряжение в качестве опорного напряжения АЦП для измерения, ошибки в источнике напряжения возбуждения могут быть устранены, что приведет к получению логометрического результата измерения.
Общее выражение для расчета напряжения на термисторе (V TH ), когда АЦП работает в униполярном режиме, дается следующим образом:
, где:
CODE — код АЦП.
В REF — опорное напряжение.
G — выбранный коэффициент усиления.
N — разрешение АЦП (в данном случае 24).
Общее выражение для расчета V TH , где АЦП работает в биполярном режиме, дается выражением
Общее выражение для расчета R TH определяется как
Рекомендации по проектированию термистора
В следующих разделах описывается, как AD7124-4 / AD7124-8 обеспечивает ключевые функции и возможности, необходимые для точного измерения термистора, а также способы подключения и настройки измерения.
АЦП
Наряду со спецификацией термисторного датчика точность системы зависит от характеристик АЦП. AD7124-4 / AD7124-8 представляют собой интегрированное решение для измерения термисторов. Эти устройства могут обеспечивать высокое разрешение, низкую нелинейность и низкий уровень шума, а также высокое подавление 50 и 60 Гц. AD7124-4 / AD7124-8 состоят из встроенного в кристалл внутреннего опорного сигнала, опорных буферов и малошумящего PGA, что обеспечивает прямой интерфейс с датчиком и минимизирует потребность во внешних схемах.
Блоки питания
AD7124-4 / AD7124-8 имеют отдельные аналоговые и цифровые источники питания. Цифровой источник питания IOV DD не зависит от аналогового источника питания AV DD и может иметь напряжение от 1,65 В до 3,6 В относительно DGND. AV DD называется AV SS и имеет диапазон от 2,7 В до 3,6 В для режимов низкой и средней мощности и от 2,9 В до 3,6 В для режима полной мощности. Схема, показанная на рисунке 1, работает от однополярного источника питания.Следовательно, AV SS и DGND соединены вместе, и используется только одна заземляющая пластина. Напряжение AV DD и IOV DD генерируется отдельно с помощью регуляторов напряжения ADP150. При использовании этих регуляторов напряжение AV DD устанавливается на 3,3 В, а напряжение IOV DD устанавливается на 1,8 В. Использование отдельных регуляторов обеспечивает наименьший шум.
Выбор режима мощности зависит от текущего распределения бюджета для конечного приложения.Если приложение требует гораздо более высокой выходной скорости передачи данных и лучших шумовых характеристик, AD7124-4 / AD7124-8 можно настроить для режима полной мощности. Для любого портативного приложения должны использоваться компоненты с низким энергопотреблением, а для некоторых промышленных приложений вся система питается от контура 4–20 мА, так что допустимый баланс тока составляет максимум 4 мА. Для этого типа приложений AD7124-4 / AD7124-8 можно запрограммировать в режиме среднего или низкого энергопотребления.
Аналоговые входы, буферы и выбор усиления
Изменения сопротивления на ° C генерируют напряжение на термисторе от десятков милливольт до вольт в указанном температурном диапазоне с использованием 2.Напряжение возбуждения 5 В.
Максимальное напряжение, генерируемое на термисторе NTC 10 кОм, составляет приблизительно 2,44 В. Следовательно, усиление PGA запрограммировано на усиление 1, чтобы гарантировать, что весь выходной диапазон датчика находится в пределах допустимого входного диапазона AD7124-4 / AD7124- 8. Когда используется коэффициент усиления 1, PGA отключается, что снижает потребление тока.
AD7124-4 / AD7124-8 включает в себя буферный усилитель аналогового входного каскада с высоким импедансом. Следовательно, вход может выдерживать значительные сопротивления источника и предназначен для прямого подключения к внешним датчикам резистивного типа, таким как термисторы.Входы автоматически буферизуются, когда коэффициент усиления PGA больше 1. Однако буфер можно отключить, когда коэффициент усиления равен 1, пока сопротивление источника низкое.
В CN-0545 аналоговый вход управляется термистором с высоким значением сопротивления (до 441,11 кОм), что может вызвать значительные ошибки усиления и смещения. Включение входных буферов позволяет фильтровать широкий диапазон значений резисторов и электромагнитных характеристик (ЭМС) без добавления каких-либо ошибок. Для буферов требуется не менее 0.Высота над и под шинами питания составляет 1 В. Все схемы в этом примечании к схеме спроектированы таким образом, что аналоговые входы всегда находятся в пределах требований к запасу.
Опорное напряжение и напряжение возбуждения
AD7124-4 / AD7124-8 имеют внутреннее опорное напряжение 2,5 В. Эталоном является низкий уровень шума и низкий дрейф с максимальным дрейфом 15 ppm / ° C для AD7124-4 / AD7124-8 в LFCSP и с максимальным дрейфом 10 ppm / ° C для моделей AD7124-4 TSSOP и класса B. . Включение ссылки на АЦП сокращает количество требуемых внешних компонентов, что приводит к уменьшению размера печатной платы и стоимости системы.
Для схемы, показанной на Рисунке 1, внутреннее опорное напряжение выбрано в качестве опорного напряжения для измерения термистора. Это опорное напряжение 2,5 В, когда оно включено, доступно на выводе REFOUT и также используется в качестве напряжения возбуждения для генерации напряжения на термисторе, что приводит к логометрической конфигурации.
Следовательно, любые изменения напряжения возбуждения или внутреннего опорного напряжения удаляются.
Этот метод также гарантирует, что напряжение на термисторе всегда ниже опорного напряжения, независимо от его большего значения сопротивления при более низких температурах, что значительно упрощает прямое входное соединение для измерения всего диапазона температур.
Цифровая и аналоговая фильтрация
Дифференциальный (отсечка ~ 800 Гц) и синфазный (отсечка ~ 16 кГц) фильтры реализованы на аналоговых входах, а также на опорных входах. Эта фильтрация требуется для подавления любых помех на частоте модулятора и частотах гармоник модулятора.
Для получения высокоточного измерения от датчика также важно, чтобы шум датчика и точность определяли общую ошибку системы. Шум может повлиять на точность системы, поскольку он ограничивает минимально возможное изменение уровня сигнала датчика, которое может распознать АЦП, и, следовательно, напрямую влияет на разрешающую способность системы.Шум также может влиять на выполненную калибровку, поскольку некоторые калибровки уменьшают ошибку до уровня шума, поэтому меньший шум приводит к более точным и повторяемым результатам измерения. Следовательно, важно, чтобы разрешение и шумовые характеристики АЦП были на несколько факторов лучше, чем шум и разрешение сенсора.
AD7124-4 / AD7124-8 предлагают большую гибкость встроенной цифровой фильтрации. Доступно несколько вариантов фильтрации. Выбранная опция фильтра влияет на скорость выходных данных, время установления и подавление 50 и 60 Гц.Для этой схемы реализованы фильтр sinc4 и постфильтр. Фильтр sinc 4 используется потому, что этот фильтр имеет отличные шумовые характеристики во всем диапазоне скоростей выходных данных, а также отличное подавление 50 Гц и 60 Гц. Пост-фильтр используется для одновременного подавления 50 Гц и 60 Гц с временем установления 40 мс.
| Тип фильтра | Входное условие | Среднеквадратичный шум (мкВ) | Разрешение без шума ( o C) |
| Sinc 4 Фильтр, режим полной мощности, 50 SPS | Термистор подключен | 44.2 | 0,01 (14 бит) |
| Вход закорочен | 0,45 | 0,0002 (20 бит) | |
| Постфильтр, режим пониженного энергопотребления, 25 SPS | Термистор подключен | 72,9 | 0,02 (13,4 бит) |
| Вход закорочен | 1,7 | 0,005 (18,7) |
В таблице 1 приведены среднеквадратичные значения шума системы.Таблица 1 также показывает шумовые характеристики, когда аналоговые входы АЦП закорочены для тех же настроек фильтра, усиления и выходной скорости передачи данных. Измеренный шум выше, когда термистор подключен, потому что сам термистор имеет некоторый шум.
Калибровка
AD7124-4 / AD7124-8 предоставляют различные режимы калибровки, которые можно использовать для устранения ошибок смещения и усиления. Для этой схемы использовалась внутренняя калибровка нулевой шкалы, а также внутренняя калибровка полной шкалы.Обратите внимание, что эти калибровки удаляют только ошибки усиления и смещения АЦП, а не ошибки усиления и смещения, создаваемые внешней схемой.
Диагностика
AD7124-4 / AD7124-8 имеют встроенную диагностику, которая может проверить, находится ли уровень напряжения на аналоговых выводах в пределах указанного рабочего диапазона. Положительное аналоговое входное напряжение (AINP) и отрицательное аналоговое входное напряжение (AINM) можно отдельно проверять на перенапряжения, пониженные напряжения и насыщение АЦП. Повышенное напряжение отмечается, когда напряжение на аналоговом входе превышает AV DD , а пониженное напряжение отмечается, когда напряжение на аналоговом входе опускается ниже AV SS .Обширные диагностические функции системы также включают в себя проверку циклическим избыточным кодом (CRC) на шине последовательного периферийного интерфейса (SPI) и проверки сигнальной цепи, что приводит к более надежному решению. Эта диагностика снижает потребность во внешних компонентах для реализации диагностики, что приводит к меньшему размеру решения, сокращению времени цикла проектирования и экономии затрат. Виды отказов, последствия и диагностический анализ (FMEDA) типичного приложения показали, что доля безопасных отказов (SFF) превышает 90% в соответствии с IEC 61508.
Конфигурация проводки термистора
AD7124-4 может быть настроен на четыре дифференциальных или семь псевдодифференциальных каналов, а AD7124-8 может быть настроен на восемь дифференциальных или 15 псевдодифференциальных каналов. Оба используют гибкое мультиплексирование. Следовательно, любой из контактов аналогового входа может быть выбран как положительный или отрицательный. Эта функция позволяет пользователю выполнять диагностику, например, проверять, подключены ли контакты. Эта функция также упрощает конструкцию печатной платы для размещения одного термистора или нескольких термисторов NTC.
На рисунке 3 показана конфигурация термистора NTC, взаимодействующего с AD7124-4 / AD7124-8. Два вывода термистора NTC подключены к контактам AIN2 и AIN3 соответственно. REFOUT также подключен к AIN2 и термистору NTC для обеспечения постоянного напряжения возбуждения термистора. R SENSE соединен последовательно с термистором NTC и связан с землей для создания цепи делителя потенциала. Затем это измеренное напряжение, то есть напряжение на термисторе, используется для расчета тока, проходящего через R SENSE , который является тем же самым током, который проходит через R TH .Следовательно, значение R TH также может быть определено.
Рисунок 3. Конфигурация аналогового входа термистора 10 кОм NTCКонфигурация AD7124-4 / AD7124-8 для измерения с одним термистором выглядит следующим образом:
- Дифференциальный вход: AINP = AIN2 и AINM = AIN3
- Смещение напряжения: REFOUT
- Внутренняя ссылка: 2,5 В
- Цифровая фильтрация: sinc 4 50 SPS и постфильтр 25 SPS
- Коэффициент усиления PGA = 1
- Precision R SENSE = 10 кОм
- Аналоговые буферы включены
Результаты термистора
Для схемы термистора, показанной на рисунке 3, были собраны данные для различных конфигураций цифрового фильтра и режима питания AD7124-4 / AD7124-8, а именно для фильтра sinc4, работающего в режиме полной мощности, и постфильтра, работающего в режиме низкого энергопотребления, как обсуждается в разделе «Цифровая и аналоговая фильтрация».
Типичное разрешение кода без шума системы термистора составляет 14 бит для режима полной мощности и выбранного фильтра sinc 4 и 13,4 бит для режима низкого энергопотребления и постфильтра, что эквивалентно погрешности приблизительно 0,01 ° C и 0,02 ° C. изменение при каждом измерении температуры. На рисунках 4 и 5 показано распределение шума при подключении термистора.
Рисунок 4. Гистограмма кодов термистора NTC при температуре 25 ° C с фильтром Sinc4 в режиме полной мощности, 50 SPS Рисунок 5.Гистограмма кодов термистора NTC при температуре 25 ° C, постфильтр в режиме малой мощности, 25 SPSНа рисунках 6 и 7 показана результирующая ошибка (заданная температура минус измеренная температура). Для каждой настройки температуры термистора AD7124-4 / AD7124-8 поддерживается на уровне 25 ° C. Как показано на рисунках 6 и 7, ошибка находится в пределах спецификации термистора. Эти графики также показывают отклонение погрешности термистора при различных настройках температуры AD7124-4 / AD7124-8.Для каждой настройки температуры AD7124-4 / AD7124-8 выполняется внутренняя калибровка нуля и полной шкалы. Как показано на рисунках 6 и 7, общая погрешность снова находится в пределах диапазона термистора.
Рисунок 6. Измерение точности температуры термистора, фильтр Sinc4, режим полной мощности, 50 SPS Рисунок 7. Измерение точности температуры термистора, постфильтр, режим пониженного энергопотребления, 25 SPSНа рисунках 8 и 9 показана погрешность измеренной температуры термистора, внутренней калибровки нуля и полной шкалы, выполненных при 25 ° C.Графики показывают, что выполнение калибровки при 25 ° C или калибровка при каждой отдельной температуре этих устройств дает схожие характеристики.
Рис. 8. Измерение точности температуры термистора, фильтр Sinc4, режим полной мощности, 50 SPS при температуре окружающей среды Рис. 9. Измерение точности температуры термистора, постфильтр, режим низкого энергопотребления, 25 SPS при температуре окружающей средыКонфигурация подключения нескольких термисторов
AD7124-4 / AD7124-8 можно использовать в качестве измерительной системы для нескольких термисторов.Когда на АЦП задействовано несколько каналов, АЦП автоматически последовательно просматривает включенные каналы, выполняя одно преобразование на каждом канале. Когда канал изменяется, для генерации преобразования требуется полное время настройки фильтра, что влияет на общую пропускную способность. Следовательно, также важно учитывать задержку цифрового фильтра при мультиплексировании между несколькими датчиками.
AD7124-4 может подключать четыре термистора NTC, тогда как AD7124-8 может подключать до восьми термисторов NTC.При использовании нескольких термисторов каждый термистор должен иметь свою точность R SENSE , но термисторы могут совместно использовать одно напряжение возбуждения (внутреннее VREF). Как минимум, каждый термистор NTC требует двух аналоговых входных контактов AD7124-4 / AD7124-8.
Чтобы измерить напряжение термистора, выполните следующие действия:
- Включите внутреннюю ссылку, доступную в REFOUT.
- Включите все аналоговые входные каналы, к входу которых подключен термистор.
- REFOUT затем направляется на R TH последовательно с R SENSE . Напряжение на R TH измеряется на канале 0 (AIN0 и AIN1). Затем АЦП автоматически перебирает все включенные каналы. Обратите внимание, что EVAL-AD7124-4SDZ или EVAL-AD7124-8SDZ имеют встроенный термистор между AIN4 и AIN5. Обязательно снимайте этот термистор (R28) при использовании AIN4 и AIN5.
В качестве примера, четыре термистора NTC были подключены к AD7124-4 (см. Рисунок 10), а к AD7124-8 можно подключить восемь термисторов NTC (см. Рисунок 11).Один термистор NTC подключен к аналоговым входным контактам AIN0 и AIN1 (конфигурация канала 0), где напряжение возбуждения поступает от REFOUT, а второй термистор NTC также показан подключенным к аналоговым входным контактам AIN2 и AIN3 (конфигурация канала 1), где REFOUT также используется для напряжения смещения и так далее. В таблицах 2 и 3 подробно описана конфигурация каналов для нескольких термисторов NTC с использованием AD7124-4 и AD7124-8 соответственно.
| Датчик | Канал | VREF | AINP | AINM |
| R TH 1 | 0 | REFOUT | AIN0 | AIN1 |
| R TH 2 | 1 | REFOUT | AIN2 | AIN3 |
| R TH 3 | 2 | REFOUT | AIN4 | AIN5 |
| R TH 4 | 3 | REFOUT | AIN6 | AIN7 |
| Датчик | Канал | VREF | AINP | AINM |
| R TH 1 | 0 | REFOUT | AIN0 | AIN1 |
| R TH 2 | 1 | REFOUT | AIN2 | AIN3 |
| R TH 3 | 2 | REFOUT | AIN4 | AIN5 |
| R TH 4 | 3 | REFOUT | AIN6 | AIN7 |
| R TH 5 | 4 | REFOUT | AIN8 | AIN9 |
| R TH 6 | 5 | REFOUT | AIN10 | AIN11 |
| R TH 7 | 6 | REFOUT | AIN12 | AIN13 |
| R TH 8 | 7 | REFOUT | AIN14 | AIN15 |
в качестве датчиков температуры | Проекты
Марк Харрис| & nbsp Создано: 9 сентября 2020 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 11 января 2021 г.
Во введении к этой серии мы начали работу по тестированию всех доступных типов температуры, создав набор шаблонов проектов: один для аналоговых датчиков и один для цифровых датчиков.Вы можете найти эти шаблоны и реализации датчиков для этих термисторов NTC на GitHub. Как всегда, это проекты с открытым исходным кодом, выпущенные под лицензией MIT, что позволяет вам использовать их с минимальными ограничениями.
В этой статье мы начнем с нашего первого типа датчика температуры, термистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Термисторы NTC, вероятно, являются наиболее часто используемым классом датчиков, поскольку они дешевы, просты в использовании и, несмотря на невысокую точность, достаточно точны для большинства приложений.
Если вы хотите приобрести термисторы NTC, зайдите в Octopart и узнайте, что есть в наличии у вашего любимого дистрибьютора. Вы также можете найти полный спектр термисторов NTC и многие десятки тысяч других компонентов и датчиков в моей библиотеке Celestial Altium, крупнейшей библиотеке с открытым исходным кодом для Altium Designer®.
В этой серии мы рассмотрим широкий спектр датчиков температуры , , рассказывая об их преимуществах и недостатках, а также об общих реализациях / топологиях их реализации.В серию войдут:
Измерение с помощью термисторов
Несмотря на то, что я только что сказал о неточности термисторов, они широко используются. В большинстве случаев точность измерения температуры не превышает нескольких градусов Цельсия. При встраивании базовой тепловой защиты или тепловой компенсации термисторы PTC или NTC достаточно хороши. Большинство 3D-принтеров используют термисторы для своих подогреваемых кроватей и горячих концов, поэтому вам необходимо откалибровать настройки температуры нити для каждого принтера.Для меня, когда я печатаю один и тот же материал с тремя разными горячими концами, у меня три температуры в диапазоне почти 10 ° C. Датчики очень дешевы в использовании, что отлично подходит для недорогих устройств, особенно если вы можете откалибровать датчик в цепи во время производства или пользователь.
Источник: Методы уменьшения ошибок линеаризации термистора, требований к памяти и мощности в широком диапазоне рабочих температурСтоимость термисторов компенсируется дополнительными инженерными усилиями по получению точного измерения температуры, особенно в широком диапазоне температур.Это делает их очень хорошими для приложений защиты, где приемлемо общее представление о температуре. В большинстве литий-ионных аккумуляторных батарей используется термистор 10k NTC для отключения зарядки, если элементы становятся слишком горячими, чтобы предотвратить катастрофический сбой.
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
Термистор NTC — это резистор, сопротивление которого падает при повышении температуры. Это позволяет с помощью обычных методов измерения сопротивления в цепи рассчитать температуру резистора.К сожалению, изменение температуры нелинейно, что означает, что вы не можете напрямую измерить изменение температуры по изменению сопротивления. Многие производители предоставят кривую зависимости сопротивления от температуры и, возможно, даже формулу для расчета температуры по сопротивлению, что означает, что микроконтроллер можно использовать для получения достаточно точных измерений. Предположим, производитель не предоставляет эту информацию. В этом случае вы можете использовать точный датчик температуры или климатическую камеру для измерения датчика в определенных заданных точках, чтобы самостоятельно определить формулу.
В этом проекте мы рассмотрим два разных термистора NTC и несколько их реализаций. Это термисторы с жестким допуском, но они все же не слишком дороги по сравнению с другими термисторами с более низким допуском.
Оба эти компонента предназначены для поверхностного монтажа; однако компоненты со сквозным отверстием легко доступны. Обычно компоненты со сквозным отверстием припаяны к концу пары проводов для дистанционного зондирования. Если вы хотите протестировать термистор на проводе, не тратя много денег, поищите датчики температуры для 3D-принтера, обычно это термистор 10K.Однако в некоторых принтерах вместо этого используются термисторы 100K.
Часть | NCP03WF104F05RL | NCP15Xh203F03RC |
Измерение температуры мин. | -40 ° С | -40 ° С |
Макс. Температура при измерении | + 125 ° С | + 125 ° С |
Диапазон срабатывания | Местный | Местный |
Сопротивление при 25 ° C | 100 кОм | 10 кОм |
Допуск сопротивления | 1% | 1% |
Значение B Допуск | 1% | 1% |
Рабочая температура | от -40 ° C до +125 ° C | от -40 ° C до +125 ° C |
B0 / 50 | – | – |
B15 / 75 | 4250 К | 3380 К |
B25 / 75 | – | – |
B25 / 85 | 4311 К | 3434 К |
В25 / 100 | 4334 К | 3455 К |
Максимальная мощность (мВт) | 100 мВт | 100 мВт |
Производитель | Мурата | Мурата |
Пакет | 0201 | 0402 |
Диапазон чувствительности термисторов является преимуществом перед некоторыми датчиками, которые мы рассмотрим позже.Диапазон срабатывания покрывает весь рабочий диапазон датчика, что позволяет использовать его в самых разных приложениях. Поскольку термисторы настолько просты, вы можете использовать их далеко за пределами этих номинальных диапазонов, пока ваш припой не перейдет в расплавленное состояние или тепловое сжатие не повредит устройство.
Основное различие между двумя датчиками, помимо размера корпуса, заключается в сопротивлении при 25 ° C — у нас есть термисторы NTC 100 кОм и 10 кОм, которые являются наиболее часто используемыми значениями.
Таблицы данных для этих двух датчиков выглядят довольно линейно, пока вы не поймете, что ось сопротивления является логарифмической. В линейном масштабе, как на графике ниже, мы видим, что сопротивление далеко не линейное при прямом чтении.
Источник: Термисторы / Измерение температуры с помощью термисторов NTCМы можем разместить резистор, который соответствует сопротивлению термистора, в центре интересующего температурного диапазона параллельно термистору, чтобы сделать небольшой участок кривой более линейным.Это может упростить расчет и калибровку в линейном температурном диапазоне. Предположим, у вас есть возможность измерить полный профиль термистора, чтобы вычислить значения для формулы термистора, или производитель любезно предоставил их в таблице данных. В этом случае вы можете сэкономить резистор и по-прежнему получать точные измерения во всем диапазоне.
Источник: термисторы / Измерение температуры с помощью термисторов NTCРеализация термистора NTC: делитель напряжения
Самый простой способ измерить температуру — использовать делитель напряжения.Вы можете использовать термистор как верхнюю или нижнюю ножку делителя потенциала. Если вы используете термистор в качестве «верхней» ножки делителя потенциала, напряжение будет увеличиваться с увеличением температуры. Если вы используете термистор в качестве нижней ножки делителя напряжения, то напряжение будет уменьшаться с увеличением температуры.
Любой из методов допустим. Однако я бы посоветовал попытаться уменьшить ток через делитель, чтобы предотвратить самонагрев термистора.В зависимости от номинала вашего термистора NTC и требований вы можете оптимизировать реализацию, изменив топологию.
В своей реализации я использую простой делитель, который не оптимизирован для какого-либо конкретного диапазона температур за счет использования верхнего делителя, соответствующего сопротивлению термистора при 25 ° C. При 25 ° C следует ожидать половину входного напряжения. Предположим, вы создали таким образом датчик температуры. В этом случае вы должны иметь представление о температурном диапазоне, с которым вы работаете, и оптимизировать сопротивление и топологию, чтобы обеспечить максимально широкий диапазон напряжений, чтобы иметь возможность более точно измерять температуру.
Обратите внимание, что при повышении температуры сопротивление термистора NTC будет падать. Это означает, что большая часть мощности будет падать на эталонный резистор, поскольку он имеет большее падение напряжения. Это также помогает предотвратить самонагревание и является хорошей стратегией, если мы хотим измерить температуру выше температуры окружающей среды.
Схема расположения печатной платы
Для создания печатной платы мы собираемся использовать шаблон проекта карты датчика температуры, который мы создали в предыдущей статье этой серии.Шаблон также доступен на GitHub, если вы хотите использовать его для своих датчиков.
Одна вещь, которую вы могли заметить, это то, что названия плат такие же, как и в шаблоне проекта. Это не упростит управление потенциально десятками этих плат, если все они будут иметь одинаковые имена схем и файлов печатной платы!
Я спросил своего друга Давиде Бортолами, есть ли у него способ переименовать файлы в проекте Altium, поскольку моя практика заключалась в том, чтобы удалить файл из проекта — переименовать его, а затем снова добавить в проект.Мой путь был довольно неуклюжим, поэтому Давид сразу же предложил Storage Manager для переименования файлов. Вы можете найти диспетчер хранилища под кнопкой панели в правом нижнем углу Altium.
Диспетчер хранилища работает нормально, даже если у вас нет текущего проекта в репозитории управления версиями. Все, что нам нужно сделать, это щелкнуть правой кнопкой мыши схему или плату и нажать «Переименовать» (или нажать F2).
Это гораздо более элегантное решение, чем метод, который я обычно использовал.
Затем мы добавляем одну из приведенных выше реализаций на лист схемы. Единственное изменение, которое необходимо изменить в шаблонных частях схемы, — это подключить аналоговый выход датчика к краевому разъему карты.
Поскольку эти схемы являются несимметричными, а не дифференциальными, мы можем подключить отрицательную сторону пары к земле, а положительная сторона будет получать выходной сигнал от подключенного к ней делителя напряжения. Затем все, что нам нужно сделать, это обновить плату, чтобы добавить новые компоненты.
Во время работы с платой я также заполняю таблицу аналоговых каналов, которую мы поместили в шаблон, чтобы определить, какой канал использует конкретная карта датчика. Это должно снизить вероятность добавления двух датчиков, использующих один и тот же канал, в один стек.
Платы для них, конечно, невероятно просты, всего два компонента добавляются на плату. Я мог бы разместить оба датчика на одной плате, но я хочу, чтобы это было по одному датчику на каждой плате. Благодаря тому, что каждая реализация датчика изолирована от собственной печатной платы, ни один датчик не будет влиять на результаты других датчиков, поскольку они используют одну плату.
Плата термистора 100k NTC по существу идентична другим компонентам резистора и термистора. Шаблон проекта подготавливает легкую работу по созданию серии очень похожих печатных плат.
Реализация NTC: добавление параллельного резистора
Как упоминалось выше, мы можем добавить резистор параллельно термистору NTC в нашем делителе напряжения. Это поможет линеаризовать часть делителя напряжения. Наличие линейного вывода для интересующего диапазона температур может быть полезно, если вы не можете запустить алгоритм на собранных данных, чтобы преобразовать значение в точную температуру.Это также может быть полезно, если у вас нет средств для точного сбора необходимых данных для определения значений для алгоритма. Для линейного участка диапазона температур потребуется показание напряжения, которое можно интерпретировать напрямую как разность температур.
Для этой реализации я просто добавляю параллельный резистор, который будет линеаризовать термистор при температуре около 25 ° C. Ваша реализация должна соответствовать сопротивлению термистора NTC в центральной точке диапазона температур, который вы пытаетесь измерить.
Я поместил два резистора 10K 0603 вместе для этой реализации, так как я не ожидаю, что будет какая-либо измеримая разница в физическом положении параллельного резистора с термистором. Если бы у нас были достаточно точные приборы, мы могли бы почувствовать тепло от параллельного резистора, нагревающего термистор, если бы они были близко друг к другу. Тем не менее, это будет такая исчезающе маленькая сумма, что она не будет иметь никакого значения для любого реального приложения.
Реализация NTC: добавление повторителя напряжения
Для повышения стабильности схемы мы также можем использовать операционный усилитель в качестве повторителя напряжения.Это также может дать нам дополнительную точность в зависимости от того, как реализован вывод, измеряющий напряжение. Микроконтроллер или выделенный АЦП будет иметь некоторое сопротивление относительно земли, которое обычно очень велико, но он все равно будет действовать как резистор, параллельный нашему делителю напряжения. Используя операционный усилитель с буфером / повторителем напряжения, мы можем изолировать вывод микроконтроллера от делителя напряжения.
Я использую относительно недорогой буферный усилитель для этой схемы. Инструментальный усилитель будет стоить примерно столько же.Стоит отметить, что некоторые аналоговые и цифровые датчики, которые мы рассмотрим позже в этой серии, стоят меньше, чем просто буферный усилитель, и имеют большую точность и линейность, чем термисторы с PTC или NTC. Таким образом, хотя эта схема должна обеспечивать более точное считывание, она, вероятно, не будет иметь большого смысла в реальной реализации устройства, если вы не считываете термистор с внешнего устройства / оборудования, где вы не можете изменить чувствительный элемент.
Вы также можете использовать для этого операционный усилитель общего назначения с меньшими затратами.Буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, поэтому подключение обратной связи не требуется — и, что более важно, они имеют исключительно высокое входное и выходное сопротивление. Этот высокий импеданс по сравнению с обычным операционным усилителем обеспечивает большую точность при считывании показаний такого делителя напряжения. При этом такой буферный усилитель является огромным излишеством для термистора NTC, поскольку он более чем способен обрабатывать сигналы ГГц.
Печатная плата для реализации повторителя напряжения следует тому же общему стилю, что и другие, с буферным усилителем и резистором делителя на противоположной стороне теплового разрыва.Опять же, я бы не ожидал, что будет какое-либо измеримое тепло от буферного усилителя, проводимого к термистору, если они будут размещены вместе. Эта конструкция продолжает тему сохранения только чувствительного элемента внутри зоны термического разрыва, чтобы все наши измерения были согласованными и не искажались другими компонентами, находящимися поблизости.
Другие варианты: мост Уитстона
Вы также можете использовать мост Уитстона для еще более точного измерения термистора.Однако я не собираюсь реализовывать это для термистора NTC в этой серии. В статье о температурном датчике сопротивления (RTD) вы узнаете больше о реализации моста Уитстона. Хотя термистор, установленный правильно и используемый с правильной формулой, может быть довольно точным, использование моста Уитстона на относительно неточном датчике не стоит времени и затрат на внедрение. Результаты простых приложений, описанных выше, позволят вам получить максимальную отдачу от термистора NTC.
Проверьте сами платы термисторов NTC
Эти тестовые карты датчиков имеют открытый исходный код, проверьте репозиторий на GitHub, чтобы загрузить дизайны и использовать их самостоятельно. Если вы хотите оценить некоторые термисторы NTC, файлы проекта для этих плат сэкономят ваше время. Вы также найдете все сенсорные карты, которые мы разрабатываем во время этой серии, в том же репозитории GitHub, так что вы, возможно, сможете получить представление о том, что будет дальше в этой серии, проверив репозиторий!
Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Поговорите со специалистом Altium.
Что такое термистор и как он работает?
Изображение предоставлено: Кристиан Сторто / Shutterstock.com
Термистор — это устройство, которое можно использовать для измерения температуры путем сопоставления измеренного значения его электрического сопротивления с температурой окружающей среды или конкретной части, на которой установлен термистор. Термин «термистор» образован от объединения и сжатия двух других слов — «термический» и «резистор».Термисторы можно рассматривать как термочувствительные резисторы — устройства, значение сопротивления которых можно использовать для определения температуры.
В этой статье термисторы исследуются более подробно, включая то, что они собой представляют, как они работают, различные типы, которые используются, их области применения и ключевые параметры производительности, используемые при выборе этих устройств.
Чтобы узнать больше о других типах электрических и электронных устройств, см. Соответствующие руководства, список которых приведен в конце этой статьи.Чтобы узнать больше о других типах датчиков, см. Соответствующее руководство — Датчики — Полное руководство (типы, приложения и поставщики).
Что такое термистор?
Термисторы— это тип датчика температуры, который используется во множестве различных приложений и может рассматриваться как особый тип резистора. Все резисторы обычно имеют некоторую температурную зависимость, а это означает, что их значение сопротивления будет несколько меняться в зависимости от температуры. Этот эффект определяется и измеряется температурным коэффициентом сопротивления , или TCR.TCR можно определить как процентное изменение значения сопротивления, которое происходит при заданном изменении температуры. Иногда он выражается в миллионных долях (ppm) на градус Цельсия и может быть выражен как:
, где R 2 — значение сопротивления при рабочей температуре T 2 , а R 1 — значение сопротивления при температуре T 1 , что обычно соответствует комнатной температуре ( 25 o ° С).
В типичных постоянных или переменных резисторах, используемых в электрических цепях, желательно иметь небольшой TCR, поскольку он приводит к стабильным электрическим характеристикам в широком диапазоне температур. Однако для термисторов предпочтительнее большое значение TCR, поскольку оно позволяет легче измерять изменение значения сопротивления в зависимости от температуры и использовать его в качестве точного отражения изменения температуры.
Термисторычасто указываются в качестве альтернативы другим типам устройств измерения температуры, таким как датчики температуры сопротивления (RTD).(Более подробную информацию о других типах датчиков температуры, включая RTD, можно найти в наших соответствующих руководствах «Все о датчиках температуры и типах контактных датчиков».)
Типы термисторов и принцип их работы
Обычно термисторы делятся на два основных типа:
- Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом или NTC
- Положительный температурный коэффициент или термисторы PTC
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом обладает тем свойством, что при повышении температуры сопротивление устройства уменьшается.Следовательно, значение TCR для этих устройств отрицательное и будет отображаться графически в виде кривой с отрицательным наклоном, когда сопротивление откладывается по оси y, а температура откладывается по оси x. На рисунке 1 ниже показан пример характеристической кривой термистора NTC. Помимо уменьшения сопротивления, связанного с повышением температуры, обратите внимание, что наклон кривой непостоянен, и поэтому зависимость между сопротивлением и температурой нелинейна. Кроме того, чем круче кривая, тем выше температурная чувствительность устройства, поскольку относительно небольшое изменение температуры может привести к значительному изменению значения сопротивления термистора.
Изображение предоставлено: https://www.amphenol-sensors.com/
Рисунок 1 — Пример характеристической кривой сопротивления-температуры для термистора NTC
Термисторы с положительным температурным коэффициентом, напротив, имеют прямую зависимость между сопротивлением устройства и температурой. При повышении температуры (выше определенной точки) сопротивление термистора также увеличивается. На рисунке 2 ниже показан пример графика характеристики термистора PTC.
Изображение предоставлено: https://www.amphenol-sensors.com/
Рисунок 2 — Пример характеристической кривой сопротивления-температуры для термистора PTC
Как видно из этой кривой, поведение сопротивления термистора PTC изменению температуры очень нелинейно. Первоначально устройство демонстрирует снижение сопротивления с повышением температуры, достигая минимального значения R мин перед тем, как снова начать увеличиваться при дальнейшем повышении температуры.Как только температура достигает критической точки (называемой температурой Кюри, температурой переключения, температурой перехода или температурой точки излома — T b , как показано на рисунке 2), устройство показывает резкое увеличение сопротивления с каждым градусом изменения температура. Говорят, что при температурах ниже T b устройство работает в состоянии низкого сопротивления; выше T b устройство переходит в состояние с высоким сопротивлением.
Существует два основных типа термисторов PTC — термочувствительные кремниевые резисторы (также называемые силисторами) и переключающие термисторы PTC.На рисунке 2 представлена характеристическая кривая, более типичная для переключающего термистора с положительным температурным коэффициентом. Силистор имеет тенденцию демонстрировать более линейное увеличение сопротивления с изменением температуры в пределах своего номинального рабочего диапазона и чаще всего используется для обеспечения температурной компенсации для кремниевых полупроводниковых устройств.
Применение термистора
ТермисторыNTN чаще всего используются в системах измерения и регулирования температуры из-за большого изменения сопротивления в зависимости от температуры.Они также используются в электрических цепях, где требуется температурная компенсация, например, в генераторах или ЖК-дисплеях. Поскольку они испытывают временную задержку перед достижением более низкого сопротивления, другое использование этих устройств — функционирование в качестве ограничителя тока для пускового тока. Кроме того, эти термисторы могут найти применение в качестве датчиков наличия жидкости. Когда жидкость входит в контакт с устройством, постоянная рассеяния изменяется, позволяя термистору обнаруживать такой контакт.
Коммутационные термисторы с положительным температурным коэффициентом имеют характеристики, позволяющие использовать их в качестве нагревателя или самовосстанавливающегося предохранителя. Термисторы PTC могут эффективно нагревать объект до определенной температуры и поддерживать это значение температуры. Характеристическая кривая, показанная на рисунке 2, показывает, что в состоянии высокого сопротивления устройство будет стремиться к саморегулированию при постоянной (заданной) температуре. Если температура снижается, сопротивление уменьшается, что позволяет большему току проходить через устройство, рассеивая больше энергии и снова повышая температуру.Точно так же, если температура увеличится от установленного значения, сопротивление устройства будет увеличиваться, ограничивая ток и вызывая падение температуры. Производители могут изменять состав керамических материалов, используемых в конструкции термистора PTC, который затем может в некоторой степени изменять температуру перехода и регулируемую температуру. Применения, в которых термисторы PTC используются в качестве нагревателя, включают нагреватели дизельного топлива для нагрева топлива для облегчения запуска холодного двигателя, в составе двигателей для парафина для работы дверцы дозатора мыла в посудомоечной машине, в биметаллических переключателях и в индикаторах угла атаки в самолет.Во многих других областях применения термисторы PTC используются для нагрева, в том числе:
- Подогреватели блока цилиндров для холодного климата
- Зеркало для удаления льда
- Нагреватели для кофейников
- Обогреватели керамические
- Клапаны с термоэлектрическими сервоприводами
Внезапное и резкое изменение сопротивления выше температуры Кюри — это свойство, которое позволяет термисторам PTC также использоваться в приложениях в качестве сбрасываемых предохранителей, например, для защиты от бросков тока и обеспечения защиты от перегрузки по току.Например, в случае электродвигателя с набором пусковых обмоток термистор PTC может быть подключен электрически последовательно с пусковой катушкой. Когда двигатель запускается первоначально, термистор PTC работает в состоянии низкого сопротивления и пропускает ток в пусковые обмотки. Когда ток течет через устройство, оно рассеивает тепло и повышается температура. Как только устройство переходит в состояние с высоким сопротивлением, ток к пусковым обмоткам фактически отключается, и пусковая катушка отключается от цепи.
Точно так же термисторы PTC могут работать для ограничения тока в ситуации перегрузки по току. В случае возникновения короткого замыкания резкое протекание тока через термистор приведет к его быстрому нагреву выше температуры перехода. Находясь в состоянии высокого сопротивления, устройство может ограничивать ток, протекающий по цепи, чтобы предотвратить продолжение короткого или сверхтока. Как только условие перегрузки по току исправлено, ток, протекающий через термистор PTC, падает, устройство охлаждается, и его сопротивление уменьшается при переходе из состояния с высоким сопротивлением.Следовательно, термисторы PTC работают как самовосстанавливающиеся предохранители.
Технические характеристики и основная терминология
Термисторыопределяются рядом ключевых технических характеристик и терминов; некоторые из наиболее важных из них приведены ниже.
- Сопротивление при нулевой нагрузке — представляет собой сопротивление термистора в условиях холостого хода, т. Е. Измеренное с использованием такого уровня мощности, при котором тепловыделение от рабочего тока в устройстве практически отсутствует.Измерение обычно проводят при комнатной температуре (25 90 489 o 90 4 90 C).
- Бета-константа (β) — также иногда называемая значением B, представляет собой наклон кривой зависимости сопротивления от температуры в заданном диапазоне температур. Для температур T 1 и T 2 это значение может быть вычислено как:
- Alpha (α) — представляет собой температурный коэффициент сопротивления при нулевой мощности, определяемый как относительное изменение сопротивления, связанное с изменением температуры.Это связано с первой производной кривой R-T и определяется как:
где R — сопротивление, а T — температура.
- Термическая постоянная времени (τ) — определяется как время, которое требуется термистору для перехода на 63,2%, или (1 — 1 / e) разницы между начальной и конечной температурами. Это значение основано на экспоненциальной модели изменения температуры термистора со временем, которая может быть аппроксимирована следующим образом:
- Константа рассеяния (δ) — измеряет количество энергии, необходимое для изменения температуры термистора на 1 o C за счет самонагрева от приложенного тока смещения.Значение измеряется при определенной температуре окружающей среды и измеряется в мВт / o C.
Резюме
В этой статье были рассмотрены основы термисторов, включая то, что они собой представляют, как они работают, типы и области применения. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг, включая поставщиков термисторов NTC и PTC.
Источники:
- https://www.variohm.com
- https://www.sensorsci.com/thermistors
- https://www.electronics-notes.com/
- https://www.teamwavelength.com/thermistor-basics/
- https://www.littelfuse.com/
- https://eepower.com/
- https://www.amphenol-sensors.com/en/thermometrics
- https://www.electronics-notes.com/
Связанные статьи о датчиках:
Больше от Automation & Electronics
Математика | Бесплатный полнотекстовый | Время выполнения алгоритма и точность измерения температуры на основе термистора NTC в критических по времени приложениях
1.Введение
В силовой электронике не только напряжение и ток, но и температура являются очень показательными величинами. При измерении первых двух полная работа электронного устройства контролируется с помощью контролирующего микроконтроллера (MCU). С помощью последнего также могут быть рассчитаны различные системные величины, то есть среднеквадратичные (RMS) значения тока и напряжения, полной и активной мощности [1]. Измерения напряжения и тока в электронных устройствах вместе с топологией схем согласно изобретению могут предотвратить серьезные неисправности, приводящие к появлению отказоустойчивых устройств, которые все еще могут работать при выходе из строя переключателя при коротком замыкании или разомкнутой цепи [2,3,4].То же самое и с измерениями температуры: они не ограничиваются только приложениями, в которых температура технологического процесса отслеживается или регулируется, как, например, в материаловедении и механике [5], биоэлектрохимии и биомедицинской инженерии [6,7] или микрофлюидика [8,9], и это лишь некоторые из них. Измерения температуры также используются — часто в сочетании с измерениями напряжения и тока — для контроля ключевых компонентов устройства с целью повышения эксплуатационной безопасности и надежности устройства в целом.Профилактический мониторинг, основанный на измерении напряжения и тока для расчета температуры переключателя питания, описан в [10,11], тогда как прямое измерение температуры было изучено в [12] для предотвращения отказа переключателя питания и снижения эффективности. Что касается температуры измерения, в силовой электронике используются в основном четыре типа датчиков: термопары [13], резистивные датчики температуры (RTD), такие как датчик температуры PT100, как указано в [14], термисторы [15] и специализированные интегральные схемы (IC) [ 16].В отличие от термопар, являющихся активными элементами, последние три должны иметь источник возбуждения. Тем не менее, во всех случаях для получения информации о температуре необходимо реализовать какую-то схему преобразования сигнала. Из четырех типов датчиков наиболее широко используются термисторы, поскольку они обеспечивают быстрый отклик и являются рентабельными. Их использование не ограничивается только электронными устройствами. В [17] они использовались для измерения температурного профиля верхнего слоя земли, чтобы определить влияние погоды и осадков на качество почвы; кроме того, в [18] они использовались для изучения качества ледяного покрова рек.Отличительной особенностью термисторов является сильно нелинейная зависимость сопротивления от температуры, что необходимо учитывать даже при использовании современных материалов и технологий производства [19]. Чтобы компенсировать это, были предложены различные подходы к линеаризации отклика — от аппаратных схем преобразования сигналов до компьютерных решений или их комбинаций, реализующих современные методы, такие как искусственные нейронные сети [20] и программируемые массивы (FPGA). ) [21,22,23].Что касается аппаратного обеспечения, общие решения в основном полагаются на схемы кондиционирования, реализующие схемы автономных операционных усилителей (OP ap) [23,24] или генераторы, управляемые напряжением, с использованием специализированных микросхем таймера (555) [25,26,27], где термистор является подключен к определяющему частоту входному каскаду схемы синхронизации, что приводит к более или менее линейной зависимости выходной частоты от температуры.В этой статье измерение температуры на основе термистора анализируется для четырех методов расчета с точки зрения времени расчета, необходимого MCU для расчета температуры по измеренному напряжению на его входе.Однако, поскольку все четыре метода основаны на приближении фактического сопротивления термистора в зависимости от температуры, они по своей сути вносят определенную температурную погрешность. Основная цель анализа состояла в том, чтобы оценить объем необходимых предварительных работ и найти метод расчета, который дает допустимую погрешность (т. Е. Максимум ± 1 ° C) в самом широком диапазоне температур, но не превышает аппаратных возможностей. установленное максимальное время алгоритма управления, который выполняется в MCU.
Работа организована следующим образом.В разделе 2 кратко излагаются основы термисторов и их сопротивление, изменяющееся в зависимости от температуры. Кроме того, представлена простая и экономичная схема преобразования сигнала. В разделе 3 дается обзор четырех аналитических методов расчета температуры на основе моделирования. Основной вклад этой статьи описан в разделе 4, где сравниваются экспериментальные результаты для всех предложенных процедур расчета температуры. Кроме того, исследуемые подходы оцениваются с точки зрения требуемой предварительной работы, сложности, ожидаемой точности и, наконец, требуемых ресурсов MCU.4. Экспериментальные результаты — сравнение методов
В следующем разделе все четыре представленных метода расчета температуры будут проанализированы с точки зрения требуемой предварительной работы и общей сложности, с особым акцентом на время выполнения алгоритма, который выполняется в микроконтроллер. Мы решили рассчитать температуру до шести термисторов NTC для каждого подхода, чтобы определить их влияние на время расчета, необходимое микроконтроллеру для выполнения алгоритма.Ряд измерений был выполнен на лабораторном прототипе усовершенствованного преобразователя постоянного тока в постоянный ток мощностью 3,7 кВт (рис. 14), разработанного для автомобильной промышленности. Его топология не является существенной для данной статьи, хотя дополнительную информацию можно найти в [37]. На рисунке 14 положения термистора отмечены оранжевым цветом; некоторые термисторы расположены на нижней стороне печатной платы (PCB). Управление прототипом преобразователя осуществляется с помощью микроконтроллера TMS320F280049 компании Texas Instruments [38] с алгоритмом управления, выполняемым на частоте 30 кГц, поэтому напряжение входы АЦП дискретизируются каждые 33.3 мкс. Здесь необходимо подчеркнуть, что расчеты температуры обычно не требуют такой высокой частоты. Однако, если температура используется для онлайн-диагностики в приложениях, критичных к безопасности, тогда широкая полоса пропускания является обязательной. В нашем случае высокая частота дискретизации продиктована аппаратным и программным обеспечением. Основная функция преобразователя требовала точного измерения токов на частоте 30 кГц. Поскольку аналого-цифровые преобразователи (АЦП) не могли быть настроены для измерения температуры на более низкой частоте при сохранении точной выборки токов, температура также измерялась с той же частотой.Кроме того, чтобы архитектура программного обеспечения оставалась единой и простой, расчеты температуры выполнялись с той же частотой, что и расчет других измеренных сигналов.Очевидно, что добавление довольно сложных процедур расчета в алгоритм управления электронным устройством противоречит тенденции к использованию более высоких частот дискретизации для повышения точности рассматриваемой основной контрольной величины, поскольку добавленные процедуры увеличивают время выполнения алгоритма.
В нашей тестовой среде (рисунок 14) алгоритмы расчета температуры были протестированы в режиме ожидания преобразователя, чтобы избежать возможной серьезной неисправности, если время выполнения алгоритма превышает предварительно установленное значение прерывания, равное 33.3 мкс. Далее сначала описываются необходимые предварительные работы для каждого представленного метода расчета, а затем приводятся результаты для времени расчета температуры. Исследуемый термистор поддерживался данными производителя для интервалов 5 ° C [28], но есть также доступные данные. для интервалов 1 ° C в [36], что приводит к большему объему памяти микроконтроллера, но дает более высокую точность. В нашем случае массив из 42 значений из [28]; № кривой 8502 для температуры и расчетных напряжений U T из схемы преобразования сигнала с использованием (8) был впервые подготовлен для используемого микроконтроллера [38].Затем при каждом временном прерывании напряжение U T, изм. на аналоговом входе отбиралось и подавалось в процедуру вычисления температуры, которая начиналась с поиска двух соответствующих индексов (9) с использованием метода двоичного поиска. Наконец, температура была рассчитана с использованием (11).Начиная с режима ожидания преобразователя и добавляя последовательные вычисления температуры для шести термисторов NTC, установленных на печатной плате, общее время вычисления температуры составило 9,87 мкс. В среднем требуется каждый расчет температуры с использованием справочной таблицы и линейной интерполяции 1.65 мкс.
Чтобы проверить полиномиальный подход, мы решили использовать полиномы первого и шестого порядка для аппроксимации кривой зависимости температуры от напряжения (как показано на рисунке 8). Во-первых, был исследован полином (линия) первого порядка с линией, приспособленной для ограниченного диапазона температур от -10 ° C до 50 ° C. Поскольку температура рассчитывалась с использованием простых обозначений (12), ожидаемое время расчета для всех шести температур было относительно небольшим. Тем не менее, общее время составило 1,31 мкс. В среднем при каждом расчете температуры с использованием линейного приближения добавляется 0.Время выполнения алгоритма составляет 22 мкс. Затем мы протестировали две полиномиальные записи шестого порядка, то есть исходную запись, как написано в (13), и модифицированную с использованием записи метода Хорнера для уменьшения количества арифметических операций:Tpoly6 = (((a6 · u + a5 · u + a4 · u + a3) · u + a2) · u + a1) · u + a0.
(18)
В обоих случаях использовались следующие полиномиальные параметры (округленные до четырех значащих цифр точности):
a 6 = 3,7883;
a 5 = −27.1741;
a 4 = 59,5590;
a 3 = -10,7668;
a 2 = -109,7692;
a 1 = 145,9399 и
a 0 = -55,1190.
Параметры полинома были рассчитаны заранее на основе рассчитанных значений напряжения (8) и данных термистора с использованием функции ЛИНЕЙН в Excel для номинального диапазона температур (от -55 ° C до 150 ° C; обозначено poly6).
Как и ожидалось, была значительная разница во времени выполнения алгоритма между полиномиальными обозначениями (13) и (18). С первым, только с одной температурой, время расчета составляло уже 7,29 мкс. При использовании двух процедур расчета температуры время расчета увеличилось до 14,42 мкс, поэтому дальнейшие измерения температуры не тестировались, поскольку был достигнут максимально доступный предел времени для расчетов температуры. А именно, алгоритму управления для самого преобразователя требовалось около 18 мкс.С обозначением Хорнера (18) время вычислений было значительно меньше. А именно, время расчета для всех шести температур составляло 2,28 мкс (в среднем для каждого измерения температуры NTC требовалось 0,38 мкс), что говорит в пользу полиномиальной записи Хорнера.
Этот метод требует меньше предварительных работ, поскольку измеренное напряжение U T подается непосредственно в программу расчета температуры на основе (15), для которой требуются только некоторые предварительно определенные константы, связанные с термистором и схемой преобразования сигнала.В ходе эксперимента отслеживались только результаты для первоначально представленного метода с константой B 25/100 (рисунок 12), что дало общее время расчета 5,16 мкс (в среднем 0,86 мкс на один температурный канал NTC). В подходе мы также начинаем с измеренного напряжения U T , которое (напрямую или через «извлечение» сопротивления R NTC с использованием (16)) подается в программу расчета температуры (17). Для последнего, однако, необходимо заранее определить параметры Стейнхарта – Харта.В нашем случае производитель не предоставил их, поэтому мы использовали онлайн-инструмент [31] вместе с данными производителя о сопротивлении при трех температурах, поэтому они не были результатом процедуры калибровки, как в [39]. Как было предложено в [30], мы использовали две температуры, которые совпадали с номинальным диапазоном температур, то есть от -55 ° C до 150 ° C, и точку между ними (мы выбрали 25 ° C), что привело к a = 1,139357363 × 10 −3 , b = 2,327048139 × 10 −4 и c = 9,134393411 × 10 −8 .Здесь необходимо подчеркнуть, что с точки зрения требуемого времени расчета обозначение (17) не является слишком сложным по сравнению с (15), поскольку в обоих случаях сначала выполняется операция естественного алгоритма (ln), а затем одна или больше умножений. Для выбранного набора значений все шесть расчетов температуры дали время расчета 5,32 мкс (в среднем для каждого измерения температуры NTC требовалось 0,89 мкс), что сопоставимо с результатами, рассчитанными с помощью уравнения B. Полученные результаты загрузки микроконтроллера для Все четыре метода расчета представлены на Рисунке 15.Понятно, что метод справочной таблицы с линейной интерполяцией (11) приводит к большому времени вычислений, хотя здесь нет сложных арифметических операций. Однако значительное увеличение времени связано с требовательным ко времени алгоритмом двоичного поиска соответствующих индексов из справочной таблицы, для которого микроконтроллер не оптимизирован. При использовании метода полиномиальной аппроксимации линейное приближение первого порядка (12) с точки зрения времени вычислений вполне сопоставимо с обозначением Хорнера шестого порядка (18) (обозначено как poly6_Horner).Напротив, исходная полиномиальная запись (13) (poly6) требует гораздо больше времени. Как и предполагалось, и уравнение B, и уравнение Стейнхарта – Харта требуют аналогичных ресурсов MCU, хотя более чем в два раза больше, чем требуется для полиномиальных методов. Однако, что касается рисунков 2, 12 и 13, результаты явно больше в пользу уравнения Стейнхарта – Харта. В общем, это требует большей вычислительной мощности, чем полиномиальные методы. Тем не менее, он работает превосходно — почти сравнимо со справочной таблицей — во всем номинальном диапазоне температур, что не относится ни к полиномиальному приближению, ни к уравнению B.5. Обсуждение
Процесс проектирования сложных электронных устройств всегда требует множества компромиссов, относящихся к различным областям. В представленной статье мы сосредоточились на задачах, связанных с измерением температуры в сложном электронном устройстве с использованием простой схемы кондиционирования с термистором NTC.
Основная цель статьи состояла в том, чтобы определить влияние различных процедур расчета температуры на время расчета микроконтроллера. Кроме того, было намерение выбрать метод, который может привести к приемлемой температурной погрешности (максимум ± 1 ° C) в самом широком, предпочтительно номинальном, температурном диапазоне термистора.Схема формирования сигнала считалась идеальной, поэтому температурная погрешность была внесена исключительно самим методом. В таблице 1 представлен обзор важнейших параметров, наблюдаемых во время моделирования и экспериментальных испытаний. Знак «+» говорит в пользу метода, знак «-» советует не использовать метод, а знак «о» указывает на нейтралитет в этом отношении.После того, как все четыре представленных метода были проанализированы и протестированы, мы могли сделать вывод, что выбор на самом деле зависит от доступных ресурсов MCU.А именно, расчет температуры с использованием справочной таблицы или уравнения Стейнхарта – Харта намного превосходит другие методы с точки зрения точности. С другой стороны, эти методы используют значительно больше ресурсов MCU по сравнению с полиномиальными методами — первый в основном из-за требующей много времени процедуры поиска индекса в справочной таблице, а второй из-за вычисления функции натурального логарифма. Верно, однако, что расчеты температуры могут быть выполнены с более низкой частотой дискретизации по сравнению с частотой дискретизации токов и напряжений; тем не менее, это нарушает структуру единого алгоритма, только с одним запросом прерывания.Однако в случае возможной перегрузки микроконтроллера мы могли бы реализовать последовательную процедуру с одним вычислением температуры на цикл прерывания. Таким образом, мы можем резюмировать, что справочная таблица и метод Стейнхарта – Харта являются лучшим выбором при поиске алгоритма, который предлагает достаточно небольшую ошибку во всем диапазоне температур. Если допускается более узкий температурный диапазон, можно получить удивительно хорошие результаты с точки зрения точности и, прежде всего, с точки зрения времени расчета с помощью метода полиномов более высокого порядка.Тем не менее, если вместо нагрузки микроконтроллера интересует высокая точность измерения температуры, то справочная таблица, безусловно, будет предпочтительнее.
Как использовать устройства защиты от перегрева — Термисторы NTC
Термисторы NTCдоступны во многих различных конструкциях, включая дисковые, стеклянные диоды, выводы с полимерным покрытием и SMD. Термисторы SMD NTC, основанные на многослойной технологии, являются первым выбором, когда требуется температурная защита на печатной плате.Ниже приведены примеры применения термисторов SMD NTC в качестве устройств защиты от перегрева для таких целей, как определение температуры и температурная компенсация.
Пример приложения: определение температуры и температурная компенсация для смартфонов и планшетовТермисторы NTC, упомянутые в тексте и схемах, являются термисторами SMD NTC. Также упрощены принципиальные схемы.
Многие термисторы NTC используются в смартфонах и планшетах для определения температуры и температурной компенсации.
Рис. 1: Основные области применения термисторов NTC для определения температуры и температурной компенсации в смартфонах и планшетах
Базовая схема представляет собой схему деления напряжения с термистором NTC и постоянным резистором, соединенными последовательно. Значение сопротивления термистора NTC, расположенного рядом с тепловыделяющей частью, такой как ЦП или силовой модуль, уменьшается с повышением температуры и изменяет выходное напряжение схемы деления напряжения.
Это изменение отправляется в микроконтроллер, чтобы инициировать действия по температурной компенсации и защитить компоненты схемы от перегрева.
Рис.2: Основные схемы для определения температуры и температурной компенсации
Пример приложения: определение температуры аккумуляторных батарей мобильных устройствВсе аккумуляторные батареи и, в частности, литий-ионные батареи должны контролироваться и защищаться интеллектуальными цепями зарядки, поскольку устройство мобильной связи, получающее энергию от батарей, должно работать в различных средах, включая работу при низких и высоких температурах.
В качестве предпочтительных устройств для определения температуры в схеме защиты используются термисторы NTC. Термисторы NTC могут определять температуру окружающей среды для различных целей, в зависимости от системы батарей. В частности, для быстрой зарядки необходимо измерить температуру окружающей среды, поскольку не все аккумуляторы позволяют заряжаться в диапазоне высоких и низких температур. Обычно производители аккумуляторных блоков рекомендуют температуры зарядки от 0 ° C до 45 ° C для медленной зарядки и от 5 ° C, от 10 ° C до 45 ° C для быстрой зарядки в зависимости от химического состава аккумулятора.
Термистор NTC является частью интеллектуального блока управления зарядкой (см. Схему ниже), который гарантирует, что температура окружающей среды находится в диапазоне, допускающем быструю зарядку. Во время зарядки термистор NTC многократно измеряет температуру в течение 5–10 секунд и может обнаруживать повышение температуры аккумуляторного элемента в конце цикла зарядки или вызванное ненормальными условиями зарядки.
Во время разрядки термисторы NTC также выполняют температурную компенсацию для измерения напряжения, что помогает измерить оставшийся заряд в батарее.
Рис. 3: Определение температуры аккумуляторных блоков мобильных устройств
Пример приложения: Определение температуры для микроконтроллеровМикроконтроллеры смартфонов и других устройств должны быть защищены от перегрева для обеспечения надежности их работы. На приведенной ниже схеме показана схема температурной защиты микроконтроллера, в которой используется схема деления напряжения, состоящая из комбинации термистора NTC и постоянных резисторов RS.
Пример приложения: Определение температуры для светодиодных систем освещенияВо многих портативных электронных решениях светодиоды широко используются в общем освещении и автомобильном освещении, где высокая яркость становится все более популярной. Решением являются светодиоды высокой яркости (HBLED), которые обладают многочисленными преимуществами по сравнению с обычным освещением, но, как и любые другие полупроводниковые устройства, они выделяют тепло. Следовательно, одной из проблем является управление температурным режимом.Вообще говоря, высококачественные светодиоды — это надежные устройства, которые при правильном обращении могут работать более 100 000 часов. Однако высокие температуры могут значительно сократить срок их службы и негативно повлиять на их яркость. Чтобы гарантировать максимальный срок службы, производители светодиодов обычно рекомендуют начинать снижение номинального тока при температуре от 50 ° C до 80 ° C. Без контроля температуры разработчик должен гарантировать, что температура никогда не превышает рекомендуемый порог снижения мощности светодиода, или ограничить ток резистором до 57% от максимального номинала, что приведет к снижению яркости светодиода.Это делает термисторы NTC предпочтительным выбором для измерения температуры и управления в освещении из-за их привлекательного соотношения цены и качества. Они позволяют использовать светодиоды на полную мощность в течение заданного срока службы, что означает более высокий ток при более низкой температуре окружающей среды и адаптированный более низкий ток при повышении температуры. Это не только увеличивает срок службы светодиода, но и гарантирует хороший световой поток. Для наилучшей работы чувствительный термистор NTC должен быть расположен рядом со светодиодами или в горячей точке платы светодиодов.
Могут использоваться различные топологии в зависимости от конкретных драйверов светодиодов IC. Термистор NTC может работать в сети резисторов, где измеряемое напряжение может косвенно управлять током светодиода, влияя на коэффициент широтно-импульсной модуляции (PWM).
Пример приложения: определение температуры для жестких дисковЖесткий диск, который используется в качестве запоминающего устройства ПК и других интеллектуальных электронных устройств, является термочувствительным устройством, а высокая температура увеличивает вероятность ошибок и сбоев.По этой причине датчик температуры определяет ее температуру, и когда температура превышает определенный порог, включается вентилятор для охлаждения устройства. Точность относительно простой схемы определения температуры, состоящей из термистора NTC и постоянных резисторов, полностью достаточна для защиты жесткого диска и намного более рентабельна, чем схема с использованием ИС датчика температуры. На приведенной ниже схеме показана замена микросхемы датчика температуры на термистор с отрицательным температурным коэффициентом.
Фиг.6: Определение температуры для жестких дисков
Пример приложения: Определение температуры для операций записи головки жесткого дискаЗапись данных на жесткий диск — это магнитная запись в магнитном слое опорного диска (магнитного диска) с использованием магнетизма, создаваемого катушкой в записывающей головке. Чрезмерное написание может вызвать перегрев головки и отрицательно повлиять на ее элементы. По этой причине схема определения температуры с термистором NTC, как показано на схеме ниже, используется для управления током, протекающим через головку.
Рис.7: Определение температуры для операций записи головки жесткого диска
Пример приложения: Контроль температуры для термопринтеровТермопринтеры, предназначенные для печати на термобумаге, используются в качестве принтеров чеков кассовых аппаратов POS и принтеров штрих-кодов или этикеток. Температура термоголовки коррелирует как с насыщенностью, так и с толщиной напечатанных символов: чем выше температура, тем они темнее и толще.Для поддержания постоянного качества печати напряжение регулируется путем изменения ширины импульса тока, подаваемого на термоголовку, в зависимости от измеренной температуры термоголовки. На схеме ниже показан пример блока схемы определения температуры с использованием термистора NTC.
Рис. 8: Контроль температуры для термопринтеров
Пример приложения: Температурная компенсация для ЖК-дисплеевSa
mple application: Температурная компенсация кварцевых генераторовКварцевый генератор, использующий кварцевый резонатор, используется в электронных устройствах, таких как ПК, для генерации опорной частоты (тактового сигнала).Как показано на графике ниже, температурные свойства кристаллического резонатора представляют собой кубическую кривую с точкой перегиба при стандартной температуре (в большинстве случаев 25 ° C) и отклонением частоты колебаний (вертикальная ось), которое в значительной степени зависит от температуры. Отклонение частоты колебаний уменьшается за счет включения схем компенсации, температурные свойства которых противоположны кристаллическому резонатору, в каждую из низкотемпературных и высокотемпературных областей. В таких схемах аналоговой компенсации используются термистор NTC, конденсатор и резистор.Кварцевый генератор со схемой внутренней температурной компенсации называется TCXO (кварцевый генератор с температурной компенсацией).
Рис.10: Температурная компенсация кварцевых генераторов
Пример приложения: Температурная компенсация для полупроводниковых датчиков давления Многие пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления MEMS используются во многих бытовых приборах, автоматизированных производственных линиях на заводах, в автомобильной промышленности и т. Д.Такие датчики давления состоят из кремниевой подложки, протравленной для создания тонкой полой чувствительной к давлению диафрагмы с четырьмя пьезорезистивными частями (тензодатчиками), подключенными к чувствительным к давлению мостам. Когда диафрагма подвергается давлению со стороны среды, между чувствительными элементами возникает разница в сопротивлении, которая затем генерирует электрический сигнал с обоих концов мостовой схемы.
Пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления отличаются небольшими размерами и высокой чувствительностью, но, поскольку чувствительность чувствительных элементов зависит от температуры, необходима компенсационная схема.На приведенной ниже схеме показана схема компенсации с комбинацией термистора NTC и постоянных резисторов. Температурная компенсация осуществляется путем управления напряжением, подаваемым на датчик давления, через температурную зависимость
Рис.11: Температурная компенсация для полупроводниковых датчиков давления
Пример приложения: Тепловая защита полупроводниковПолупроводники необходимо защищать от перегрева во время работы.Термистор NTC размещен на подложке внутри силового модуля для контроля температуры радиатора, на котором установлен модуль (схема).