NTC-PCB-Thermistoren als Temperatursensoren

In der Einführung zu dieser Serie haben wir begonnen, alle verschiedenen Arten von Temperatursensoren zu testen, indem wir eine Reihe von Projektvorlagen erstellt haben: eine für analoge Sensoren und eine für digitale Sensoren. Diese Vorlagen und die Sensorimplementierungen für diese NTC-Thermistoren finden Sie auf GitHub. Wie immer sind diese Projekte Open Source und unter der MIT-Lizenz veröffentlicht, was Ihnen erlaubt, sie mit sehr wenigen Einschränkungen zu nutzen. 

In diesem Artikel beginnen wir mit unserem ersten Typ von Temperatursensor, dem NTC-Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). NTC-Thermistoren sind wahrscheinlich die am häufigsten verwendete Klasse von Temperatursensoren, da sie preiswert, einfach zu verwenden sind und trotz nicht unglaublicher Präzision genau genug für die meisten Anwendungen sind.

Wenn Sie NTC-Thermistoren kaufen möchten, gehen Sie zu Octopart und sehen Sie, was bei Ihrem bevorzugten Händler auf Lager ist. Sie können auch eine vollständige Palette von NTC-Thermistoren und viele Zehntausende anderer Komponenten und Sensoren in meiner Celestial Altium Library finden, der größten Open-Source-Bibliothek für Altium Designer®.

In dieser Serie werden wir uns eine breite Palette von Temperatursensoren, ansehen, über ihre Vor- und Nachteile sprechen sowie gängige Implementierungen/Topologien für ihren Einsatz diskutieren. Die Serie wird abdecken:

• Negative Temperature Coefficient (NTC) Thermistoren
• Positive Temperature Coefficient (PTC) Thermistoren
• Widerstandstemperaturfühler (RTD)
• Analoge Temperatursensor-ICs
• Digitale Temperatursensor-ICs
• Thermoelemente

Messen mit Thermistoren

Trotz meiner Aussage, dass Thermistoren nicht besonders präzise sind, werden sie weit verbreitet eingesetzt. Die meisten Anwendungen benötigen keine bessere Temperaturpräzision als ein paar Grad Celsius. Für den Einbau von grundlegendem thermischen Schutz oder thermischer Kompensation sind PTC- oder NTC-Thermistoren gut genug. Die meisten 3D-Drucker verwenden Thermistoren für ihre beheizten Betten und Hot-Ends, weshalb Sie Ihre Filamenttemperatur-Einstellungen für jeden Drucker kalibrieren müssen. Für mich bedeutet das Drucken desselben Materials mit drei verschiedenen Hot-Ends, dass ich drei Temperaturen über einen Bereich von fast 10 °C habe. PTC- oder NTC-Temperatursensoren sind sehr günstig in der Anwendung, was fantastisch für kostengünstige Geräte ist, insbesondere wenn man den Sensor entweder zum Zeitpunkt der Herstellung in einem Schaltkreis kalibrieren kann oder der Benutzer es kann.

Die Kosten für Thermistoren werden durch den zusätzlichen Ingenieursaufwand ausgeglichen, um eine genaue Temperaturmessung zu erhalten, insbesondere über einen weiten Temperaturbereich. Dies macht sie sehr gut für Schutzanwendungen geeignet, bei denen eine allgemeine Vorstellung von der Temperatur akzeptabel ist. Die meisten Lithium-Ionen-Batteriepacks verwenden einen 10k NTC-Thermistor, um das Laden abzuschalten, falls die Zellen zu heiß werden, um ein katastrophales Versagen zu verhindern.

Negative Temperaturkoeffizient (NTC) Thermistoren

Ein NTC-Thermistor ist ein Widerstand, bei dem der Widerstand sinkt, wenn die Temperatur steigt. Dies ermöglicht es, mit typischen Methoden zur Messung des Widerstands in einem Schaltkreis die Temperatur des Widerstands zu berechnen. Leider ist die Temperaturänderung nicht linear, was bedeutet, dass man die Temperaturänderung nicht direkt durch die Änderung des Widerstands messen kann. Viele Hersteller werden eine Widerstands-Temperatur-Kurve und vielleicht sogar eine Formel zur Verfügung stellen, um die Temperatur aus dem Widerstand zu berechnen, was bedeutet, dass ein Mikrocontroller verwendet werden kann, um eine einigermaßen genaue Messung zu erlangen. Falls der Hersteller diese Informationen nicht bereitstellt, können Sie einen präzisen Temperatursensor oder eine Umweltkammer verwenden, um den Sensor bei bestimmten festgelegten Punkten zu messen und die Formel selbst zu bestimmen.

In diesem Projekt werden wir uns zwei verschiedene NTC-Thermistoren und mehrere Implementierungen für sie ansehen. Es handelt sich um Thermistoren mit enger Toleranz, aber sie sind immer noch nicht übermäßig teuer im Vergleich zu anderen Thermistoren mit geringerer Toleranz.

Beide sind Oberflächenmontage-Komponenten; jedoch sind Durchsteckkomponenten leicht verfügbar. Eine gängige Anwendung der Durchsteckkomponenten ist, sie an das Ende eines Drahtpaares für die Fernmessung zu löten. Wenn Sie einen Thermistor an einem Draht testen möchten, ohne viel Geld auszugeben, suchen Sie nach Temperatursensoren für 3D-Drucker, diese sind typischerweise ein 10K-Thermistor. Einige Drucker verwenden jedoch stattdessen 100K-Thermistoren.

Der Erfassungstemperaturbereich von Thermistoren ist ein Vorteil gegenüber einigen der Sensoren, die wir später betrachten werden. Der Erfassungsbereich deckte den gesamten Betriebsbereich des Sensors ab, was seine Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglichte. Da Thermistoren so einfach sind, können Sie sie auch weit über diese bewerteten Bereiche hinaus verwenden, solange Ihr Lötzinn nicht in einen flüssigen Zustand übergeht oder eine thermische Kontraktion das Gerät nicht beschädigt.

Der primäre Unterschied zwischen den beiden Sensoren, abgesehen von der Gehäusegröße, ist der Widerstand bei 25 °C - wir haben einen 100k und einen 10k NTC-Thermistor, welche die am häufigsten verwendeten Werte sind. 

Die Datenblätter für diese beiden Sensoren scheinen ziemlich linear zu sein, bis man erkennt, dass die Widerstandsachse logarithmisch ist. Auf einer linearen Skala, wie das Diagramm unten zeigt, können wir sehen, dass der Widerstand weit davon entfernt ist, linear zu sein, wenn er direkt abgelesen wird.

Wir können einen Widerstand platzieren, der dem Widerstand des Thermistors in der Mitte des Temperaturbereichs von Interesse entspricht, parallel zum Thermistor, um einen kleinen Abschnitt der Kurve linearer zu machen. Dies kann eine einfachere Berechnung und Kalibrierung innerhalb des linearen Temperaturbereichs ermöglichen. Angenommen, Sie haben die Möglichkeit, das vollständige Profil eines Thermistors zu messen, um die Werte für die Thermistorformel zu berechnen, oder der Hersteller ist so freundlich, sie im Datenblatt zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall können Sie einen Widerstand einsparen und dennoch eine genaue Messung über den gesamten Bereich haben.

NTC-Thermistor-Implementierung: Spannungsteiler

Die einfachste Methode, die Temperatur zu messen, ist mit einem Spannungsteiler. Sie können den Thermistor entweder als oberen oder unteren Zweig des Potenzialteilers verwenden. Wenn Sie den Thermistor als den „oberen“ Zweig des Potenzialteilers verwenden, wird die Spannung mit steigender Temperatur zunehmen. Wenn Sie einen Thermistor als unteren Zweig des Spannungsteilers verwenden, dann wird die Spannung mit steigender Temperatur abnehmen.

Beide Methoden sind gültig. Ich würde jedoch vorschlagen, den Strom durch den Teiler zu reduzieren, um eine Eigenerwärmung des Thermistors zu verhindern. Abhängig von Ihrem NTC-Thermistorwert und den Anforderungen könnten Sie die Implementierung optimieren, indem Sie die Topologie ändern.

Für meine Implementierung verwende ich einen einfachen Teiler, der für keinen spezifischen Temperaturbereich optimiert ist, indem ich einen oberen Teiler verwende, der dem Widerstand des Thermistors bei 25 °C entspricht. Bei 25 °C sollten wir die Hälfte der Eingangsspannung erwarten. Angenommen, Sie bauen auf diese Weise einen Temperatursensor. In diesem Fall sollten Sie ein Verständnis für den Temperaturbereich haben, mit dem Sie arbeiten, und den Widerstand sowie die Topologie optimieren, um den breitestmöglichen Spannungsbereich zu bieten, um die Temperatur genauer messen zu können.

Beachten Sie, dass der Widerstand des NTC-Thermistors mit steigender Temperatur sinkt. Das bedeutet, dass der Großteil der Leistung über den Referenzwiderstand abfällt, da er den größeren Spannungsabfall hat. Dies hilft auch, die Eigenerwärmung zu verhindern und ist eine gute Strategie, wenn wir Temperaturen über der Umgebungstemperatur messen möchten.

PCB-Layout

Um das PCB zu erstellen, werden wir die Vorlage des Temperatursensor-Kartenprojekts verwenden, die wir im vorherigen Artikel der Serie erstellt haben. Die Vorlage ist auch auf GitHub verfügbar, falls Sie sie für Ihre eigenen Sensoren verwenden möchten.

Eine Sache, die Ihnen auffallen könnte, ist, dass die Namen der Platinen die gleichen sind wie in der Projektvorlage. Dies wird das Verwalten von potenziell Dutzenden dieser Platinen nicht einfach machen, wenn sie alle die gleichen Schaltplan- und PCB-Dateinamen haben werden!

Ich fragte meinen Freund Davide Bortolami, ob er eine Möglichkeit kennt, Dateien in einem Altium-Projekt umzubenennen, da meine Praxis darin bestand, die Datei aus dem Projekt zu entfernen - sie umzubenennen und dann wieder zum Projekt hinzuzufügen. Meine Methode war ziemlich umständlich, also schlug Davide sofort den Storage Manager zum Umbenennen der Dateien vor. Den Speichermanager finden Sie unter dem Panels-Button unten rechts in Altium.

Der Speichermanager funktioniert auch einwandfrei, selbst wenn Ihr aktuelles Projekt nicht in einem Versionskontrollrepository liegt. Alles, was wir tun müssen, ist, mit der rechten Maustaste auf das Schaltbild oder PCB zu klicken und Umbenennen zu wählen (oder F2 zu drücken).

Dies ist eine viel elegantere Lösung als die Methode, die ich typischerweise verwendet hätte.

Wir fügen dann eine der oben genannten Implementierungen zum Schaltplanblatt hinzu. Die einzige notwendige Änderung an den vorlagenbasierten Abschnitten des Schaltplans besteht darin, den analogen Ausgang des Sensors mit dem Kartenrandstecker zu verbinden.

Da diese Schaltpläne einseitig und nicht differentiell sind, können wir die negative Seite des Paares mit dem Erdanschluss verbinden, wobei die positive Seite den Ausgang vom Spannungsteiler erhält, der daran angeschlossen ist. Dann müssen wir nur noch das Board aktualisieren, um die neuen Komponenten hinzuzufügen.

Während ich am Board arbeite, fülle ich auch die Tabelle der Analogkanäle aus, die wir in der Vorlage platziert haben, um zu identifizieren, welchen Kanal die spezielle Sensorkarte verwendet. Dies sollte die Chance verringern, zwei Sensoren, die denselben Kanal nutzen, zu einem einzigen Stapel hinzuzufügen.

Die Boards dafür sind natürlich unglaublich einfach, mit nur zwei Komponenten pro Board hinzugefügt. Ich hätte beide Sensoren auf demselben Board platzieren können, aber ich möchte es bei einem Sensor pro Board belassen. Indem jeder Sensor auf seinem eigenen Leiterplatten isoliert bleibt, wird kein Sensor die Ergebnisse eines anderen beeinflussen, weil sie eine Platine teilen.

Das 100k NTC-Thermistor-Board ist im Wesentlichen identisch mit anderen, abgesehen von den Widerstands- und Thermistorkomponenten. Die Projektvorlage erleichtert die Erstellung einer Serie von sehr ähnlichen Leiterplatten.

NTC-Implementierung: Hinzufügen eines parallelen Widerstands

Wie oben erwähnt, können wir unserem Spannungsteiler einen Widerstand parallel zum NTC-Thermistor hinzufügen. Dies wird helfen, einen Abschnitt des Spannungsteilers zu linearisieren. Eine lineare Ausgabe für den Temperaturbereich von Interesse kann nützlich sein, wenn Sie keinen Algorithmus auf die gesammelten Daten anwenden können, um den Wert in eine präzise Temperatur umzurechnen. Es kann auch hilfreich sein, wenn Sie nicht über die Einrichtungen verfügen, um die notwendigen Daten präzise zu sammeln, die zur Bestimmung der Werte für den Algorithmus erforderlich sind. Der lineare Abschnitt des Temperaturbereichs benötigt eine Spannungsablesung, die direkt als Differenztemperatur interpretiert werden kann.

Für diese Implementierung füge ich einfach einen parallelen Widerstand hinzu, der den Thermistor um 25 °C linearisieren wird. Ihre Implementierung sollte dem Widerstand des NTC-Thermistors im Mittelpunkt des Temperaturbereichs entsprechen, den Sie zu messen versuchen.

Ich habe die beiden 10K 0603 Widerstände für diese Implementierung zusammen platziert, da ich nicht erwarte, dass es einen messbaren Unterschied in der physischen Position des parallelen Widerstands zum Thermistor geben wird. Wenn wir präzise genug Instrumente hätten, könnten wir wahrscheinlich etwas Wärme vom parallelen Widerstand spüren, der den Thermistor erhitzt, wenn sie nahe beieinander wären. Es wäre jedoch eine so verschwindend geringe Menge, dass es für jede reale Anwendung keinen Unterschied machen würde.

NTC-Implementierung: Hinzufügen eines Spannungsfolgers

Zur Verbesserung der Stabilität des Schaltkreises können wir auch einen Operationsverstärker als Spannungsfolger verwenden. Dies kann uns auch ein wenig zusätzliche Präzision geben, abhängig davon, wie der Pin, der die Spannung misst, implementiert ist. Ein Mikrocontroller oder ein dedizierter ADC wird einen gewissen Widerstand gegen Masse haben, der typischerweise sehr hoch ist, aber er wird immer noch als paralleler Widerstand zu unserem Spannungsteiler wirken. Durch die Verwendung eines Puffer-/Spannungsfolger-Operationsverstärkers können wir den Mikrocontroller-Pin vom Spannungsteiler isolieren.

Ich verwende einen relativ kostengünstigen Pufferverstärker für diesen Schaltkreis. Ein Instrumentenverstärker wäre ähnlich kostspielig. Es ist erwähnenswert, dass einige der analogen und digitalen Sensoren, die wir später in der Serie betrachten, weniger kosten als nur der Pufferverstärker und eine größere Präzision und Linearität als ein PTC- oder NTC-Thermistor aufweisen. Obwohl dieser Schaltkreis eine genauere Messung liefern sollte, würde es in einer tatsächlichen Geräteimplementierung wahrscheinlich wenig Sinn machen, es sei denn, Sie lesen einen Thermistor von einem externen Gerät/Maschine, bei dem Sie das Sensorelement nicht ändern können.

Man könnte auch einen universellen Operationsverstärker dafür verwenden, mit reduzierten Kosten. Pufferverstärker haben eine Verstärkung von eins, daher ist keine Rückkopplungsverbindung erforderlich - und wichtiger noch, sie haben eine außergewöhnlich hohe Eingangs- und Ausgangsimpedanz. Diese hohe Impedanz im Vergleich zu einem regulären Operationsverstärker bietet eine größere Genauigkeit beim Lesen eines Spannungsteilers wie diesem. Das heißt, ein Pufferverstärker wie dieser ist für einen NTC-Thermistor massiv überdimensioniert, da er mehr als fähig ist, GHz-Signale zu verarbeiten.

Das PCB für die Implementierung des Spannungsfolgers folgt dem gleichen allgemeinen Stil wie die anderen, mit dem Pufferverstärker und dem Teilerwiderstand auf der gegenüberliegenden Seite der thermischen Trennung. Auch hier würde ich nicht erwarten, dass messbare Wärme vom Pufferverstärker zum Thermistor geleitet wird, wenn sie zusammen platziert würden. Dieses Design setzt das Thema fort, nur das Sensorelement innerhalb des thermischen Bruchbereichs zu halten, sodass alle unsere Messungen konsistent und nicht durch andere nahegelegene Komponenten verzerrt werden.

Andere Optionen: Wheatstone-Brücke

Sie könnten auch eine Wheatstone-Brücke für eine noch präzisere Messung des Thermistors verwenden. Allerdings werde ich dies für einen NTC-Thermistor in dieser Serie nicht umsetzen. Im Artikel über den Widerstandstemperaturfühler (RTD) finden Sie mehr Informationen zur Implementierung einer Wheatstone-Brücke. Obwohl ein korrekt implementierter Thermistor, der mit der richtigen Formel verwendet wird, ziemlich präzise sein kann, ist die Verwendung einer Wheatstone-Brücke bei einem relativ ungenauen Sensor den Implementierungsaufwand und die Kosten nicht wert. Die Ergebnisse aus den einfachen Anwendungen oben werden es Ihnen ermöglichen, das Beste aus einem NTC-Thermistor als Temperatursensor herauszuholen.

Testen Sie die NTC-Thermistor-Platinen selbst

Diese Sensor-Testkarten sind Open Source, schauen Sie im Repository auf GitHub vorbei, um die Entwürfe herunterzuladen und selbst zu nutzen. Wenn Sie einige NTC-Thermistoren evaluieren möchten, werden Ihnen die Projektdateien für diese Platinen Zeit sparen. Sie finden auch alle Sensor-Karten, die wir im Rahmen dieser Serie entwickeln, im selben GitHub-Repository, sodass Sie möglicherweise einen ersten Blick darauf werfen können, was als Nächstes in der Serie kommt, indem Sie das Repository überprüfen!

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen bei Ihrem nächsten PCB-Design helfen kann? Fragen Sie sich immer noch, was ein NTC-Thermistor ist? Sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.