Capteurs de température : Thermistances à coefficient de température positif (PTC)

Voici la partie 3 de notre projet visant à tester chaque type de capteur de température avec toutes les implémentations/topologies standard. Si vous souhaitez ajouter un capteur de température à votre projet, cette série vous offre toutes les options couvrant la gamme complète de précision et de coût. À la fin de la série, nous construirons une paire de cartes hôtes pour toutes les cartes de capteurs que nous avons développées, ce qui nous permettra de tester, comparer et contraster les différents types de capteurs sur une gamme complète de températures et de conditions. Dans cet épisode de la série, nous plongeons dans les capteurs à thermistance à Coefficient de Température Positif (PTC).

Dans l'introduction de cette série, nous avons construit un modèle de projet pour les cartes de capteurs de température analogiques, et un autre pour les cartes numériques. Vous pouvez trouver ces modèles et les implémentations de capteurs pour les thermistances PTC abordées dans cet article sur GitHub. Comme toujours, ces projets sont open source, publiés sous la licence MIT vous permettant de les utiliser avec très peu de restrictions.

Vous pouvez trouver une gamme complète de thermistances PTC, ainsi que des dizaines de milliers d'autres composants et capteurs dans ma Bibliothèque Céleste Altium, la plus grande bibliothèque open source pour Altium Designer®. Vous pouvez également consulter les capteurs thermistances PTC sur Octopart si vous souhaitez voir les stocks de composants chez les distributeurs.

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

• Les thermistances à Coefficient de Température Négatif (NTC)
• Les thermistances à Coefficient de Température Positif (PTC)
• Les détecteurs de température à résistance (RTD)
• Les circuits intégrés de capteurs de température analogiques
• Les circuits intégrés de capteurs de température numériques
• Les thermocouples

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Les thermistances à Coefficient de Température Positif (PTC)

Comme le suggère leur nom, les thermistances à coefficient de température positif, ou PTC en abrégé, ont une résistance qui augmente à mesure que leur température monte - exactement l'opposé des thermistances NTC mentionnées dans l'article précédent de cette série. Cela peut offrir des applications très intéressantes ; par exemple, les fusibles réarmables PTC sont liés aux thermistances PTC. Alors que nous essayons de limiter le courant à travers un dispositif pour réduire l'auto-échauffement, un fusible PTC utilise l'auto-échauffement pour limiter le courant en raison de l'augmentation de la résistance à mesure que la température augmente.

Les thermistances NTC sont de loin les plus populaires dans les circuits en pratique. La plupart des circuits intégrés qui ont des connexions pour une thermistance ne supporteront qu'une thermistance NTC, comme les circuits de charge de batterie. De plus, les résistances des thermistances NTC à 25 °C sont significativement plus élevées que celles de la variété PTC. Les thermistances NTC les plus courantes sont de 10k et 100k ohms, là où les PTC sont de 470 ohms et 1k ohms. Les tolérances pour les capteurs de thermistance PTC peuvent couramment être de 50%, ce qui ne fournira pas une lecture de température précise sans un étalonnage précis. Bien que la plage de tolérance soit relativement grande, la plupart des fiches techniques des fabricants montrent que la courbe de réponse en température est généralement cohérente, ce qui signifie que le dispositif ne devrait nécessiter qu'un étalonnage initial à une température connue.

Il existe plusieurs types différents de thermistances PTC, comme nous pouvons le voir dans l'arbre généalogique de TI ci-dessus.

Bien que les thermistances PTC ne soient généralement pas le premier choix de capteurs de température en raison de leur besoin de calibration et de leur faible résistance, elles peuvent être utilisées dans certains circuits. Là où une thermistance PTC peut être incroyablement utile dans votre circuit, c'est pour les applications où vous souhaitez réduire le flux de courant à mesure que la température augmente. Cela peut être très pratique pour une carte avec des LED qui ont des résistances limitant le courant et qui seront exposées à une large gamme de températures. En utilisant une thermistance PTC de 470 Ohms ou de 1k Ohms, peut-être en série avec une résistance normale pour affiner le flux de courant, vous pouvez limiter la puissance à une LED. À mesure que la température de la carte augmente, la LED recevra moins de puissance. De plus, le courant total diminuera, il y aura donc moins de chauffage par effet Joule pendant le fonctionnement. Cette restriction croissante du courant est essentielle car les LED échouent principalement à cause de la température de jonction. En réduisant le flux de courant et la dissipation de chaleur dans la LED à des températures élevées, vous pouvez grandement prolonger l'espérance de vie de la LED. Alternativement, si vous avez besoin d'augmenter le courant vers un autre élément à mesure que la température augmente, vous mettriez la thermistance PTC en parallèle.

Pour ce projet, je vais inclure deux thermistances PTC. La première est l'option emballée 0402 ou 0603 la plus stockée chez Digi-Key et a une tolérance de 50%. Elle n'est pas vraiment destinée aux applications de détection de température, mais j'ai pensé qu'il serait intéressant de l'inclure comme exemple d'un composant à très faible tolérance. La seconde est une thermistance PTC de 1k à tolérance de 0,5%, qui est destinée aux applications de détection de température.

Implémentation PTC : Diviseur de Tension

L'implémentation pour le diviseur de tension sur les thermistances PTC est identique à celle de l'implémentation NTC dans l'article précédent de cette série. La thermistance de 470 Ohms a une plage de tolérance tellement large que je ne pense pas qu'il soit utile d'ajouter une autre ligne au BOM pour lui donner une valeur différente pour la résistance supérieure à celle que j'utilise pour la thermistance de 1k Ohms.

Encore une fois, si vous alliez implémenter cela dans votre propre projet, vous regarderiez le graphique de résistance pour la thermistance PTC et choisiriez une résistance appropriée pour optimiser votre tension de sortie pour la plage que vous avez besoin de détecter.

Avec les modèles de projet de capteur que nous avons créés dans le premier volet de cette série, créer le PCB est relativement trivial. Les modèles ont 90 % du routage déjà complété, et nous avons juste besoin de positionner les deux nouveaux composants. Avec un peu de travail de routage pour le nouveau capteur, la carte d'évaluation est prête à l'emploi.

La carte thermistance PTC 1K est bien sûr presque identique en apparence, mais la thermistance est dans un boîtier 0402 plutôt que 0603. Si vous vouliez évaluer une autre thermistance de taille 0402 ou 0603, vous pourriez prendre les fichiers de projet pour ces cartes depuis le répertoire GitHub et fabriquer vos propres cartes avec vos propres capteurs de thermistance.

Implémentation PTC : Ajout d'un suiveur de tension

J'utilise la thermistance PTC de 1K ohms à tolérance plus précise de 0,5% avec le suiveur de tension car elle est conçue pour des applications de détection de température, et l'option de 470 ohms que nous testons est destinée à des applications de limitation de courant. La thermistance de 470 ohms n'aurait pas beaucoup de sens à connecter à un circuit qui fournira un résultat de détection plus précis, car sa tolérance est si grande.

Tout comme les thermistances NTC de l'article précédent de cette série, cela vous donnera probablement une lecture plus précise, mais le coût combiné d'un amplificateur tampon et du capteur pourrait vous permettre d'acheter un beau capteur analogique avec une sortie linéaire et une tolérance serrée. Il s'agit plus d'une démonstration pour obtenir une lecture plus stable et précise si vous êtes contraint d'utiliser une thermistance PTC dans un dispositif externe et que vous n'avez pas la possibilité de choisir vous-même un capteur de température.

L'utilisation d'un suiveur de tension peut également nous donner un peu plus de précision selon la manière dont la broche qui mesure la tension est implémentée. Un microcontrôleur ou un ADC dédié aura typiquement une très haute résistance à la terre, mais il agira tout de même comme une résistance parallèle à notre diviseur de tension. En ajoutant un amplificateur opérationnel tampon/suiveur de tension au circuit, nous pouvons isoler la broche du microcontrôleur du diviseur de tension.

Le PCB pour la mise en œuvre du suiveur de tension suit le même thème que les autres cartes à thermistance PTC. La thermistance se trouve du côté opposé de la coupure thermique par rapport aux composants non sensibles. En gardant uniquement l'élément de détection à l'intérieur de la zone de coupure thermique, toutes nos mesures seront cohérentes et non biaisées par d'autres composants à proximité. Je ne m'attendrais pas à ce que les autres composants génèrent suffisamment de chaleur pour influencer la lecture de température que vous déterminez à partir de la thermistance PTC. Cependant, l'objectif ici est de comparer les capteurs directement avec d'autres types de composants et topologies, donc nous allons les isoler de tout autre circuit.

Autres Options : Pont de Wheatstone

Un pont de Wheatstone est un outil fantastique pour mesurer de manière très précise les changements minimes de résistance. Une manière de faire cela est de placer l'élément capteur dans l'une des branches du pont et de calibrer l'appareil de sorte que la tension à travers la sortie soit nulle. Vous pourriez alors déterminer le changement de résistance d'une thermistance PTC en mesurant la tension à travers la sortie du pont. Cependant, il n'est pas judicieux de notre part d'utiliser un composant intrinsèquement inexact, tel qu'une thermistance, comme partie d'un circuit de précision car les autres résistances nécessaires pour calibrer le circuit de mesure seraient différentes d'une carte à l'autre. Le compromis en ingénierie n'en vaut pas la peine - si vous êtes contraint d'utiliser une thermistance PTC comme capteur de mesure en raison d'exigences externes, la méthode simple du diviseur de tension vous permettra de mesurer la température avec suffisamment de précision. Si vous pouvez choisir vos propres composants pour mesurer la température, vous obtiendrez un résultat de meilleure qualité en utilisant un circuit intégré de précision pour la détection de température. Le circuit intégré de précision coûtera moins cher que les pièces nécessaires pour un pont de Wheatstone.

Testez vous-même les cartes à thermistance PTC

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 capteurs thermistors à coefficient de température négatif, 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 arriver ensuite dans la série en consultant le dépôt !

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