Temperatursensoren: Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC)

Dies ist Teil 3 unseres Projekts, um jeden Typ von Temperatursensor mit allen standardmäßigen Implementierungen/Topologien zu testen. Wenn Sie einen Temperatursensor zu Ihrem Projekt hinzufügen möchten, bietet Ihnen diese Serie alle Optionen, die den gesamten Bereich von Präzision und Kosten abdecken. Am Ende der Serie werden wir ein Paar von Host-Boards für alle von uns entwickelten Sensorkarten bauen, die es uns ermöglichen werden, die verschiedenen Sensortypen über einen vollständigen Temperatur- und Bedingungsbereich zu testen, zu vergleichen und gegenüberzustellen. In dieser Folge der Serie tauchen wir in Positive Temperature Coefficient (PTC) Thermistorsensoren ein.

In der Einleitung zu dieser Serie haben wir eine Projektvorlage für die analogen Temperatursensor-Boards und eine weitere für die digitalen Boards erstellt. Diese Vorlagen und die Sensorimplementierungen für die in diesem Artikel behandelten PTC-Thermistoren finden Sie auf GitHub. Wie immer sind diese Projekte Open Source, unter der MIT-Lizenz veröffentlicht, was Ihnen erlaubt, sie mit sehr wenigen Einschränkungen zu nutzen. 

Sie können eine vollständige Palette von PTC-Thermistoren und viele Zehntausende anderer Komponenten und Sensoren in meiner Celestial Altium Library finden, der größten Open-Source-Bibliothek für Altium Designer®. Sie können auch PTC-Thermistorsensoren auf Octopart anschauen, wenn Sie die Lagerbestände der Distributoren einsehen möchten.

In dieser Serie werden wir uns eine breite Palette von Temperatursensoren ansehen, über ihre Vor- und Nachteile sprechen und 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

Oben sehen Sie das PCB-Design, über das Sie im Altium 365 Viewer lesen werden; eine kostenlose Möglichkeit, sich mit Ihren Kollegen, Kunden und Freunden zu verbinden, mit der Fähigkeit, das Design anzusehen oder mit einem einzigen Klick herunterzuladen! Laden Sie Ihr Design in wenigen Sekunden hoch und haben Sie eine interaktive Möglichkeit, einen detaillierten Blick darauf zu werfen, ohne sperrige Software oder Computerleistung.

Positive Temperature Coefficient (PTC) Thermistoren

Wie der Name schon sagt, haben positive Temperaturkoeffizient-Thermistoren, oder kurz PTC, einen Widerstand, der mit steigender Temperatur zunimmt - das genaue Gegenteil von den NTC-Thermistoren aus dem vorherigen Artikel dieser Serie. Dies kann einige sehr interessante Anwendungen bieten; zum Beispiel sind PTC-rückstellbare Sicherungen mit PTC-Thermistoren verwandt. Während wir versuchen, den Strom durch ein Gerät zu begrenzen, um die Eigenerwärmung zu reduzieren, nutzt eine PTC-Sicherung die Eigenerwärmung, um den Strom aufgrund des Widerstandsanstiegs bei steigender Temperatur zu begrenzen.

NTC-Thermistoren sind bei weitem die beliebtesten in Schaltungen in der Praxis. Die meisten integrierten Schaltungen, die Anschlüsse für einen Thermistor haben, unterstützen nur einen NTC-Thermistor, wie zum Beispiel Batterieladeschaltungen. Darüber hinaus sind die Widerstände von NTC-Thermistoren bei 25 °C deutlich höher als die der PTC-Variante. Die gängigsten NTC-Thermistoren sind 10k und 100k Ohm, während PTC 470 Ohm und 1k Ohm sind. Die Toleranzen für PTC-Thermistorsensoren können üblicherweise 50% betragen, was ohne genaue Kalibrierung keine genaue Temperaturmessung ermöglicht. Obwohl der Toleranzbereich relativ groß ist, zeigen die meisten Herstellerdatenblätter, dass die Temperaturantwortkurve typischerweise konsistent ist, was bedeutet, dass das Gerät nur eine anfängliche Kalibrierung bei einer einzigen bekannten Temperatur benötigen sollte.

Es gibt verschiedene Arten von PTC-Thermistoren, wie wir im Stammbaum von TI oben sehen können.

Obwohl PTC-Thermistoren aufgrund ihres Kalibrierungsbedarfs und ihres niedrigen Widerstands nicht typischerweise die erste Wahl bei Temperatursensoren sind, können sie in bestimmten Schaltungen verwendet werden. Wo ein PTC-Thermistor in Ihrer Schaltung unglaublich nützlich sein kann, ist bei Anwendungen, bei denen Sie einen reduzierten Stromfluss bei steigender Temperatur haben möchten. Dies kann sehr praktisch für eine Platine mit LEDs sein, die Strombegrenzungswiderstände haben und einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt werden. Durch die Verwendung eines 470 Ohm oder 1k Ohm PTC-Thermistors, möglicherweise in Serie mit einem normalen Widerstand zur Feinabstimmung des Stromflusses, können Sie die Leistung an eine LED begrenzen. Steigt die Temperatur der Platine, erhält die LED weniger Leistung. Zusätzlich wird der Gesamtstrom verringert, sodass es während des Betriebs zu weniger Joulescher Wärme kommt. Diese zunehmende Einschränkung im Stromfluss ist essenziell, da LEDs hauptsächlich aufgrund der Sperrschichttemperatur ausfallen. Indem Sie den Stromfluss und die Wärmeabgabe in der LED bei hohen Temperaturen reduzieren, können Sie die Lebenserwartung der LED erheblich verlängern. Alternativ, wenn Sie den Strom zu einem anderen Element erhöhen müssen, wenn die Temperatur steigt, würden Sie den PTC-Thermistor parallel schalten.

Für dieses Projekt werde ich zwei PTC-Thermistoren einbeziehen. Der erste ist die am meisten vorrätige Option im 0402- oder 0603-Paket von Digi-Key und hat eine Toleranz von 50%. Er ist eigentlich nicht für Temperatursensanwendungen gedacht, aber ich dachte, es wäre interessant, ihn als Beispiel für eine Komponente mit sehr niedriger Toleranz einzubeziehen. Der zweite ist ein 0,5% Toleranz 1k PTC-Thermistor, der für Temperatursensanwendungen vorgesehen ist.

PTC-Implementierung: Spannungsteiler

Die Implementierung für den Spannungsteiler bei den PTC-Thermistoren ist identisch mit der NTC-Implementierung im vorherigen Artikel dieser Serie. Der 470-Ohm-Thermistor hat einen so breiten Toleranzbereich, dass ich es nicht für sinnvoll halte, eine weitere BOM-Zeile hinzuzufügen, um ihm einen anderen Wert für den oberen Widerstand zu geben, als ich für den 1k-Ohm-Thermistor verwende.

Würden Sie dies in Ihrem eigenen Projekt implementieren, würden Sie sich das Widerstandsdiagramm für den PTC-Thermistor ansehen und einen passenden Widerstand wählen, um Ihre Ausgangsspannung für den Bereich, den Sie erfassen müssen, zu optimieren.

Mit den Sensorenprojektvorlagen, die wir im ersten Teil dieser Serie erstellt haben, ist das Erstellen der PCB relativ trivial. Die Vorlagen haben bereits 90% der Verdrahtung abgeschlossen, und wir müssen nur die zwei neuen Komponenten positionieren. Mit ein wenig Arbeit an der Verdrahtung des neuen Sensors ist die Evaluierungskarte einsatzbereit.

Das 1K PTC-Thermistor-Board sieht natürlich fast identisch aus, aber der Thermistor befindet sich in einem 0402-Gehäuse anstatt in einem 0603. Wenn Sie irgendeinen anderen 0402 oder 0603 großen Thermistor evaluieren möchten, könnten Sie die Projektdateien für diese Boards aus dem GitHub-Repository nehmen und Ihre eigenen Boards mit Ihren eigenen Thermistorsensoren herstellen.

PTC-Implementierung: Hinzufügen eines Spannungsfolgers

Ich verwende den präziseren 0,5% Toleranz 1K-Ohm-PTC-Thermistor mit dem Spannungsfolger, da er für Temperatursensoranwendungen konzipiert ist, und die 470-Ohm-Option, die wir testen, ist für Strombegrenzungsanwendungen vorgesehen. Der 470-Ohm-Thermistor würde nicht viel Sinn ergeben, ihn an einen Schaltkreis anzuschließen, der ein genaueres Sensorergebnis liefern wird, da seine Toleranz so groß ist.

Genau wie die NTC-Thermistoren aus dem vorherigen Artikel dieser Serie, wird dies wahrscheinlich eine genauere Messung liefern, aber die kombinierten Kosten eines Pufferverstärkers und des Sensors könnten Ihnen einen schönen analogen Sensor mit linearem Ausgang und enger Toleranz kaufen. Dies ist eher eine Demonstration, um eine stabilere und genauere Messung zu erzielen, wenn Sie gezwungen sind, einen PTC-Thermistor in einem externen Gerät zu verwenden und nicht die Möglichkeit haben, selbst einen Temperatursensor auszuwählen.

Die Verwendung eines Spannungsfolgers 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 typischerweise einen sehr hohen Widerstand gegenüber Masse haben, aber er wird immer noch als paralleler Widerstand zu unserem Spannungsteiler wirken. Durch Hinzufügen eines Puffer-/Spannungsfolger-Operationsverstärkers zum Schaltkreis können wir den Mikrocontroller-Pin vom Spannungsteiler isolieren.

Die PCB für die Implementierung des Spannungsfolgers folgt dem gleichen Thema wie die anderen PTC-Thermistor-Platinen. Der Thermistor befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des thermischen Bruchs zu den nicht messenden Komponenten. Indem wir nur das Mess-Element innerhalb des Bereichs des thermischen Bruchs halten, werden alle unsere Messungen konsistent sein und nicht durch andere in der Nähe befindliche Komponenten beeinflusst. Ich würde nicht erwarten, dass irgendwelche anderen Komponenten genug Wärme erzeugen, um die Temperaturmessung, die Sie vom PTC-Thermistor bestimmen, zu beeinflussen. Das Ziel hier ist jedoch, die Sensoren direkt gegen andere Komponententypen und Topologien zu vergleichen, also werden wir sie von jeglicher anderen Schaltung isoliert halten.

Andere Optionen: Wheatstone-Brücke

Eine Wheatstone-Brücke ist ein fantastisches Werkzeug, um sehr genau minimale Änderungen des Widerstands zu messen. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Sensorelement in eines der Brückenglieder zu platzieren und das Gerät so zu kalibrieren, dass die Spannung über dem Ausgang null ist. Dann könnten Sie die Widerstandsänderung eines PTC-Thermistors messen, indem Sie die Spannung über dem Ausgang der Brücke messen. Es lohnt sich jedoch nicht, ein an sich ungenaues Bauteil, wie einen Thermistor, als Teil eines solchen Präzisionsschaltkreises zu verwenden, da die anderen Widerstände, die zur Kalibrierung des Messkreises erforderlich sind, von Platine zu Platine unterschiedlich wären. Der technische Kompromiss ist es nicht wert - wenn Sie aufgrund externer Anforderungen gezwungen sind, einen PTC-Thermistor als Sensor für Messungen zu verwenden, ermöglicht die einfache Spannungsteilermethode eine ausreichend genaue Messung der Temperatur. Wenn Sie Ihre eigenen Komponenten für die Temperaturmessung wählen können, werden Sie ein hochwertigeres Ergebnis erzielen, indem Sie einen Präzisionsintegrierten Schaltkreis zur Temperaturmessung verwenden. Der präzisionsintegrierte Schaltkreis wird weniger kosten als die Teile, die für eine Wheatstone-Brücke benötigt werden.

Testen Sie die PTC-Thermistor-Platinen selbst

Diese Sensortestkarten sind Open Source, schauen Sie im Repository auf GitHub vorbei, um die Entwürfe herunterzuladen und selbst zu nutzen. Wenn Sie einige Sensoren mit negativem Temperaturkoeffizienten-Thermistor evaluieren möchten, werden Ihnen die Projektdateien für diese Platinen Zeit sparen.

Sie finden auch alle Sensorkarten, 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!

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