Thermistances NTC sur PCB en tant que capteurs de température

Dans l'introduction de cette série, nous avons commencé à tester tous les différents types de température disponibles en construisant un ensemble de modèles de projets : un pour les capteurs analogiques et un pour les capteurs numériques. Vous pouvez trouver ces modèles et les implémentations de capteurs pour ces thermistances NTC sur GitHub. Comme toujours, ces projets sont open source, publiés sous la licence MIT, ce qui vous permet de les utiliser avec très peu de restrictions. 

Dans cet article, nous allons commencer avec notre premier type de capteur de température, la thermistance à coefficient de température négatif (NTC). Les thermistances NTC sont probablement la classe de capteurs de température la plus couramment utilisée car elles sont bon marché, faciles à utiliser et, bien qu'elles ne soient pas incroyablement précises, sont suffisamment exactes pour la plupart des applications.

Si vous cherchez à acheter des thermistances NTC, rendez-vous sur Octopart pour voir ce qui est disponible chez votre distributeur préféré. Vous pouvez également trouver une gamme complète de thermistances NTC, et des dizaines de milliers d'autres composants et capteurs, dans ma Bibliothèque Céleste Altium, la plus grande bibliothèque open source pour Altium Designer®.

Dans cette série, nous allons examiner une large gamme de capteurs de température, en discutant de leurs avantages et inconvénients ainsi que des mises en œuvre/topologies communes pour leur implémentation. La série couvrira :

• Thermistances à Coefficient de Température Négatif (NTC)
• Thermistances à Coefficient de Température Positif (PTC)
• Détecteurs de Température à Résistance (RTD)
• Circuits Intégrés de Capteurs de Température Analogiques
• Circuits Intégrés de Capteurs de Température Numériques
• Thermocouples

Détection avec des Thermistances

Malgré ce que je viens de dire sur le fait que les thermistances ne sont pas particulièrement précises, elles sont largement utilisées. La plupart des applications n'ont pas besoin de plus de quelques degrés Celsius de précision de température. Lors de l'intégration d'une protection thermique de base ou d'une compensation thermique, les thermistances PTC ou NTC sont suffisamment bonnes. La plupart des imprimantes 3D utilisent des thermistances pour leurs lits chauffants et leurs extrémités chaudes, c'est pourquoi vous devez calibrer vos paramètres de température de filament pour chaque imprimante. Pour moi, en imprimant le même matériau avec trois extrémités chaudes différentes, j'ai trois températures sur une plage de presque 10 °C. Les capteurs de température PTC ou NTC sont très bon marché à utiliser, ce qui est fantastique pour les dispositifs à faible coût, surtout là où vous pouvez calibrer le capteur dans un circuit au moment de la fabrication, ou l'utilisateur peut le faire.

Le coût des thermistances est compensé par l'effort d'ingénierie supplémentaire nécessaire pour obtenir une mesure de température précise, surtout sur une large gamme de températures. Cela les rend très adaptés aux applications de protection où une idée générale de la température est acceptable. La plupart des packs de batteries au lithium-ion mettent en œuvre une thermistance NTC de 10k pour arrêter la charge si les cellules deviennent trop chaudes afin de prévenir une défaillance catastrophique.

Thermistances à Coefficient de Température Négatif (NTC)

Une thermistance NTC est une résistance dans laquelle la résistance diminue à mesure que la température augmente. Cela permet d'utiliser les méthodes typiques de mesure de la résistance dans un circuit pour calculer la température de la résistance. Malheureusement, le changement de température n'est pas linéaire, ce qui signifie que vous ne pouvez pas mesurer directement le changement de température par le changement de résistance. De nombreux fabricants fourniront une courbe résistance-température et peut-être même une formule pour calculer la température à partir de la résistance, ce qui signifie qu'un microcontrôleur peut être utilisé pour obtenir une mesure raisonnablement précise. Supposons que le fabricant ne fournisse pas ces informations. Dans ce cas, vous pouvez utiliser un capteur de température précis ou une chambre environnementale pour mesurer le capteur à des points de consigne spécifiques afin de déterminer la formule vous-même.

Dans ce projet, nous allons examiner deux thermistances NTC différentes et plusieurs mises en œuvre pour celles-ci. Ce sont des thermistances à tolérance serrée, mais elles ne sont toujours pas excessivement chères par rapport à d'autres thermistances à tolérance plus faible.

Les deux sont des composants de montage en surface ; cependant, les composants à travers-trou sont facilement disponibles. Une application courante des composants à travers-trou est de les souder à l'extrémité d'une paire de fils pour une détection à distance. Si vous souhaitez tester une thermistance sur un fil sans dépenser beaucoup d'argent, recherchez des capteurs de température pour imprimante 3D, ils seront typiquement une thermistance de 10K. Cependant, certaines imprimantes utilisent à la place des thermistances de 100K.

La plage de température de détection des thermistances est un avantage par rapport à certains des capteurs que nous examinerons plus tard. La plage de détection couvrait la plage de fonctionnement complète du capteur, lui permettant d'être utilisé dans une grande variété d'applications. Comme les thermistances sont si simples, vous pouvez également les utiliser bien au-delà de ces plages nominatives tant que votre soudure ne se transforme pas en un état fondu, ou que la contraction thermique n'endommage pas l'appareil.

La principale différence entre les deux capteurs, autre que la taille du boîtier, est la résistance à 25 °C - nous avons une thermistance NTC de 100k et 10k, qui sont les valeurs les plus couramment utilisées. 

Les fiches techniques de ces deux capteurs semblent assez linéaires jusqu'à ce que l'on réalise que l'axe de résistance est logarithmique. Sur une échelle linéaire, comme le graphique ci-dessous, nous pouvons voir que la résistance est loin d'être linéaire lorsqu'elle est lue directement.

Nous pouvons placer une résistance qui correspond à la résistance du thermistor au centre de la plage de température d'intérêt en parallèle avec le thermistor pour rendre une petite section de la courbe plus linéaire. Cela peut permettre un calcul et une calibration plus simples dans la région de température linéaire. Supposons que vous avez la capacité de mesurer le profil complet d'un thermistor pour calculer les valeurs pour la formule du thermistor, ou que le fabricant est assez aimable pour les fournir dans la fiche technique. Dans ce cas, vous pouvez économiser une résistance et avoir néanmoins une mesure précise sur toute la plage.

Implémentation du thermistor NTC : Diviseur de tension

La manière la plus simple de mesurer la température est avec un diviseur de tension. Vous pouvez utiliser le thermistor comme la branche supérieure ou inférieure du diviseur de potentiel. Si vous utilisez le thermistor comme la branche "supérieure" du diviseur de potentiel, la tension augmentera à mesure que la température augmente. Si vous utilisez un thermistor comme la branche inférieure du diviseur de tension, alors la tension diminuera à mesure que la température augmente.

Les deux méthodes sont valables. Cependant, je suggérerais d'essayer de réduire le courant à travers le diviseur afin d'éviter l'auto-échauffement de la thermistance. Selon la valeur de votre thermistance NTC et vos exigences, vous pourriez être en mesure d'optimiser la mise en œuvre en changeant la topologie.

Pour ma mise en œuvre, j'utilise un diviseur simple qui n'est pas optimisé pour une plage de température particulière en utilisant un diviseur supérieur qui correspond à la résistance de la thermistance à 25 °C. À 25 °C, nous devrions nous attendre à la moitié de la tension d'entrée. Supposons que vous construisiez un capteur de température de cette manière. Dans ce cas, vous devriez avoir une compréhension de la plage de température avec laquelle vous travaillez et optimiser la résistance et la topologie pour fournir la plage de tension la plus large possible afin de pouvoir mesurer la température plus précisément.

Notez que, à mesure que la température augmente, la résistance de la thermistance NTC diminuera. Cela signifie que la majorité de la puissance sera dissipée à travers la résistance de référence puisqu'elle présente la plus grande chute de tension. Cela aide également à prévenir l'auto-échauffement et est une bonne stratégie si nous voulons mesurer des températures au-dessus de l'ambiant.

Disposition du PCB

Pour créer le PCB, nous allons utiliser le modèle de projet de carte de capteur de température que nous avons créé dans l'article précédent de la série. Le modèle est également disponible sur GitHub si vous souhaitez l'utiliser pour vos propres capteurs.

Une chose que vous pourriez remarquer est que les noms des cartes sont les mêmes que ceux du modèle de projet. Cela ne va pas faciliter la gestion de potentiellement des dizaines de ces cartes si elles doivent toutes avoir les mêmes noms de schéma et de fichier PCB !

J'ai demandé à mon ami Davide Bortolami s'il connaissait un moyen de renommer les fichiers dans un projet Altium puisque ma pratique était de retirer le fichier du projet - le renommer, puis de l'ajouter à nouveau au projet. Ma méthode était assez maladroite, donc Davide a immédiatement suggéré le Gestionnaire de stockage pour renommer les fichiers. Vous pouvez trouver le gestionnaire de stockage sous le bouton des panneaux dans le coin inférieur droit d'Altium.

Le gestionnaire de stockage fonctionne très bien même si votre projet actuel n'est pas dans un dépôt de contrôle de version. Tout ce que nous avons à faire est de cliquer avec le bouton droit sur le schéma ou le PCB et de cliquer sur Renommer (ou appuyer sur F2).

C'est une solution beaucoup plus élégante que la méthode que j'aurais typiquement utilisée.

Nous ajoutons ensuite l'une des implémentations mentionnées ci-dessus à la feuille de schéma. Le seul changement nécessaire aux sections modèles du schéma est de connecter la sortie analogique du capteur au connecteur en bord de carte.

Comme ces schémas sont à terminaison unique, et non différentiels, nous pouvons connecter le côté négatif de la paire à la terre, le côté positif recevant la sortie du diviseur de tension qui y est connecté. Ensuite, tout ce que nous avons à faire est de mettre à jour la carte pour ajouter les nouveaux composants.

En travaillant sur la carte, je remplis également le tableau des canaux analogiques que nous avons placé dans le modèle pour identifier quel canal la carte de capteur particulière utilise. Cela devrait réduire le risque d'ajouter deux capteurs utilisant le même canal à une seule pile.

Les cartes pour celles-ci sont bien sûr incroyablement simples, avec juste deux composants ajoutés par carte. J'aurais pu placer les deux capteurs sur la même carte, mais je veux garder un capteur par carte. En gardant chaque mise en œuvre de capteur isolée sur sa propre carte de circuit, aucun capteur n'influencera les résultats d'un autre parce qu'ils partagent une carte.

La carte du thermistor NTC de 100k est essentiellement identique à part les composants résisteur et thermistor. Le modèle de projet facilite grandement la création d'une série de cartes de circuit très similaires.

Mise en œuvre d'une NTC : Ajout d'une résistance en parallèle

Comme mentionné précédemment, nous pouvons ajouter une résistance en parallèle au thermistor NTC dans notre diviseur de tension. Cela aidera à linéariser une section du diviseur de tension. Avoir une sortie linéaire pour la plage de température d'intérêt peut être utile si vous ne pouvez pas exécuter un algorithme sur les données collectées pour convertir la valeur en une température précise. Cela peut également être utile si vous n'avez pas les installations pour collecter précisément les données nécessaires pour déterminer les valeurs de l'algorithme. La section linéaire de la plage de température nécessitera une lecture de tension, qui peut être interprétée comme une température différentielle directement.

Pour cette mise en œuvre, j'ajoute simplement une résistance en parallèle qui linéarisera le thermistor autour de 25 °C. Votre mise en œuvre devrait correspondre à la résistance du thermistor NTC au point central de la plage de température que vous essayez de mesurer.

J'ai placé les deux résistances de 10K 0603 ensemble pour cette mise en œuvre, car je ne m'attends pas à ce qu'il y ait une différence mesurable dans la position physique de la résistance en parallèle par rapport au thermistor. Si nous disposions d'instruments suffisamment précis, nous pourrions probablement détecter un peu de chaleur provenant de la résistance en parallèle chauffant le thermistor si elles étaient proches l'une de l'autre. Cependant, ce serait une quantité tellement infime qu'elle ne ferait aucune différence pour une application dans le monde réel.

Mise en œuvre NTC : Ajout d'un suiveur de tension

Pour améliorer la stabilité du circuit, nous pouvons également utiliser un ampli-op en tant que suiveur de tension. Cela peut également nous donner un peu plus de précision selon la manière dont la broche qui mesure la tension est mise en œuvre. Un microcontrôleur ou un CAN dédié aura une certaine résistance à la terre, qui est typiquement très élevée, mais il agira tout de même comme une résistance en parallèle à notre diviseur de tension. En utilisant un ampli-op tampon/suiveur de tension, nous pouvons isoler la broche du microcontrôleur du diviseur de tension.

J'utilise un amplificateur tampon à coût relativement bas pour ce circuit. Un amplificateur d'instrumentation coûterait un prix similaire. Il est important de noter que certains des capteurs analogiques et numériques que nous examinerons plus tard dans la série coûtent moins cher que juste l'amplificateur tampon et offrent une plus grande précision et linéarité qu'une thermistance PTC ou NTC. Ainsi, bien que ce circuit devrait fournir une lecture plus précise, cela n'aurait probablement pas beaucoup de sens dans une mise en œuvre réelle de l'appareil, à moins que vous ne lisiez une thermistance d'un appareil/machine externe où vous ne pouvez pas changer l'élément de détection.

Vous pourriez également utiliser un amplificateur opérationnel à usage général pour cela, avec un coût réduit. Les amplis tampons ont un gain de un, donc aucune connexion de rétroaction n'est requise - et plus important encore, ils ont une impédance d'entrée et de sortie exceptionnellement élevée. Cette haute impédance, comparée à un amplificateur opérationnel régulier, offre une plus grande précision lors de la lecture d'un diviseur de tension comme celui-ci. Cela dit, un ampli tampon comme celui-ci est largement surdimensionné pour une thermistance NTC, car il est plus que capable de gérer des signaux de plusieurs GHz.

Le PCB pour la mise en œuvre du suiveur de tension suit le même style général que les autres, avec l'amplificateur tampon et la résistance de division sur le côté opposé de la coupure thermique. Encore une fois, je ne m'attendrais pas à ce qu'il y ait une chaleur mesurable provenant de l'amplificateur tampon conduite au thermistor s'ils étaient placés ensemble. Ce design continue sur le thème de ne garder que l'élément de détection à l'intérieur de la zone de coupure thermique afin que toutes nos mesures soient cohérentes et non biaisées par d'autres composants à proximité.

Autres Options : Pont de Wheatstone

Vous pourriez également utiliser un pont de Wheatstone pour une mesure encore plus précise du thermistor. Cependant, je ne vais pas l'implémenter pour un thermistor NTC dans cette série. Dans l'article sur le Détecteur de Température à Résistance (RTD), vous trouverez plus d'informations sur la mise en œuvre d'un pont de Wheatstone. Bien qu'un thermistor correctement implémenté et utilisé avec la formule correcte puisse être assez précis, utiliser un pont de Wheatstone sur un capteur relativement imprécis ne vaut pas le temps et le coût de mise en œuvre. Les résultats des applications simples ci-dessus vont vous permettre de tirer le meilleur parti d'un thermistor NTC en tant que capteur de température.

Testez vous-même les cartes de thermistor NTC

Ces cartes de test de capteurs sont open source, consultez le dépôt sur GitHub pour télécharger les conceptions et les utiliser vous-même. Si vous cherchez à évaluer des thermistances NTC, les fichiers de projet pour ces cartes vous feront gagner du temps. Vous trouverez également toutes les cartes de capteurs que nous développons au cours de cette série dans le même dépôt GitHub, vous pourriez donc avoir un aperçu de ce qui va suivre dans la série en consultant le dépôt !

Voulez-vous en savoir plus sur comment Altium peut vous aider avec votre prochain design de PCB ? Vous vous demandez encore ce qu'est une thermistance NTC ? Parlez à un expert chez Altium.