Termistori NTC su PCB come sensori di temperatura

Nell'introduzione a questa serie, abbiamo iniziato a lavorare testando tutti i diversi tipi di temperatura disponibili costruendo un set di template di progetto: uno per i sensori analogici e uno per i sensori digitali. Puoi trovare questi template e le implementazioni dei sensori per questi termistori NTC su GitHub. Come sempre, questi progetti sono open source, rilasciati sotto la licenza MIT che ti permette di usarli con pochissime restrizioni. 

In questo articolo, inizieremo con il nostro primo tipo di sensore di temperatura, il termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC). I termistori NTC sono probabilmente la classe di sensori di temperatura più comunemente utilizzata poiché sono economici, facili da usare e, nonostante non siano incredibilmente precisi, sono abbastanza accurati per la maggior parte delle applicazioni.

Se stai cercando di acquistare termistori NTC, vai su Octopart e vedi cosa c'è in magazzino con il tuo distributore preferito. Puoi anche trovare una gamma completa di termistori NTC, e molte decine di migliaia di altri componenti e sensori, nella mia Celestial Altium Library, la più grande libreria open source per Altium Designer®.

In questa serie, andremo a esaminare una vasta gamma di sensori di temperatura, parlando dei loro vantaggi e svantaggi così come delle implementazioni/topologie comuni per il loro impiego. La serie coprirà:

• Termistori a Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)
• Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)
• Detectori di Temperatura a Resistenza (RTD)
• Sensori di Temperatura Analogici a Circuito Integrato
• Sensori di Temperatura Digitali a Circuito Integrato
• Termocoppie

Rilevamento con Termistori

Nonostante ciò che ho appena detto riguardo ai termistori non essendo particolarmente precisi, sono ampiamente utilizzati. La maggior parte delle applicazioni non necessita di una precisione della temperatura migliore di qualche grado Celsius. Quando si costruisce una protezione termica di base o una compensazione termica, i termistori PTC o NTC sono sufficientemente buoni. La maggior parte delle stampanti 3D utilizza termistori per i loro letti riscaldati e ugelli caldi, motivo per cui è necessario calibrare le impostazioni della temperatura del filamento per ogni stampante. Per me, stampando lo stesso materiale con tre diversi ugelli caldi, ho tre temperature su un intervallo di quasi 10 °C. I sensori di temperatura PTC o NTC sono molto economici da utilizzare, il che è fantastico per dispositivi a basso costo, specialmente dove si può calibrare il sensore in un circuito al momento della fabbricazione, o l'utente può.

Il costo dei termistori è compensato dallo sforzo ingegneristico extra per ottenere una misurazione della temperatura accurata, specialmente su un ampio intervallo di temperature. Questo li rende molto adatti per applicazioni di protezione dove un'idea generale della temperatura è accettabile. La maggior parte dei pacchi batteria agli ioni di litio implementa un termistore NTC da 10k per interrompere la carica se le celle si surriscaldano, al fine di prevenire un fallimento catastrofico.

Termistori a Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)

Un termistore NTC è un resistore in cui la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo permette di utilizzare i metodi tipici di misurazione della resistenza in un circuito per calcolare la temperatura del resistore. Sfortunatamente, il cambiamento di temperatura è non lineare, il che significa che non si può misurare direttamente il cambiamento di temperatura attraverso il cambiamento di resistenza. Molti produttori forniranno una curva resistenza-temperatura e forse anche una formula per calcolare la temperatura dalla resistenza, il che significa che si può utilizzare un microcontrollore per ottenere una misurazione ragionevolmente accurata. Supponiamo che il produttore non fornisca queste informazioni. In tal caso, è possibile utilizzare un sensore di temperatura preciso o una camera ambientale per misurare il sensore a punti impostati specifici per determinare la formula da soli.

In questo progetto, esamineremo due diversi termistori NTC e diverse implementazioni per essi. Questi sono termistori a tolleranza stretta, ma non sono comunque eccessivamente costosi rispetto ad altri termistori a tolleranza inferiore.

Entrambi sono componenti a montaggio superficiale; tuttavia, i componenti a foro passante sono facilmente disponibili. Un'applicazione comune dei componenti a foro passante è saldarli all'estremità di una coppia di fili per la rilevazione remota. Se vuoi testare un termistore su un filo senza spendere molto, cerca i sensori di temperatura per stampanti 3D, saranno tipicamente un termistore da 10K. Tuttavia, alcune stampanti utilizzano invece termistori da 100K.

L'intervallo di temperatura di rilevamento dei termistori è un vantaggio rispetto ad alcuni dei sensori che esamineremo più avanti. L'intervallo di rilevamento copriva l'intero intervallo operativo del sensore, consentendone l'uso in una vasta gamma di applicazioni. Poiché i termistori sono così semplici, puoi utilizzarli anche ben oltre questi intervalli nominati purché il tuo saldante non si trasformi in uno stato fuso, o la contrazione termica non danneggi il dispositivo.

La principale differenza tra i due sensori, oltre alla dimensione del package, è la resistenza a 25 °C - abbiamo un termistore NTC da 100k e uno da 10k, che sono i valori più comunemente utilizzati. 

Le schede tecniche di questi due sensori sembrano abbastanza lineari finché non ci si rende conto che l'asse della resistenza è logaritmico. Su una scala lineare, come il grafico sottostante, possiamo vedere che la resistenza è tutt'altro che lineare quando letta direttamente.

Possiamo posizionare una resistenza che corrisponde alla resistenza del termistore al centro dell'intervallo di temperatura di interesse in parallelo con il termistore per rendere una piccola sezione della curva più lineare. Questo può semplificare il calcolo e la calibrazione all'interno della regione di temperatura lineare. Supponiamo che tu abbia la capacità di misurare il profilo completo di un termistore per calcolare i valori per la formula del termistore, o che il produttore sia così gentile da fornirli nella scheda tecnica. In tal caso, puoi risparmiare una resistenza e comunque avere una misurazione accurata su tutto l'intervallo.

Implementazione del Termistore NTC: Divisore di Tensione

Il modo più semplice con cui possiamo misurare la temperatura è con un divisore di tensione. Puoi usare il termistore come ramo superiore o inferiore del divisore di potenziale. Se usi il termistore come ramo "superiore" del divisore di potenziale, la tensione aumenterà man mano che la temperatura aumenta. Se usi un termistore come ramo inferiore del divisore di tensione, allora la tensione diminuirà man mano che la temperatura aumenta.

Entrambi i metodi sono validi. Tuttavia, suggerirei di provare a ridurre la corrente attraverso il divisore per prevenire l'autoriscaldamento del termistore. A seconda del valore del tuo termistore NTC e delle tue esigenze, potresti essere in grado di ottimizzare l'implementazione cambiando la topologia.

Per la mia implementazione, sto utilizzando un semplice divisore che non è ottimizzato per un particolare intervallo di temperature, utilizzando un divisore superiore che corrisponde alla resistenza del termistore a 25 °C. A 25 °C, dovremmo aspettarci metà della tensione in ingresso. Supponi di costruire un sensore di temperatura in questo modo. In tal caso, dovresti avere una comprensione dell'intervallo di temperature con cui stai lavorando e ottimizzare la resistenza e la topologia per fornire l'intervallo più ampio possibile di tensione per poter misurare la temperatura con maggiore precisione.

Nota che, man mano che la temperatura aumenta, la resistenza del termistore NTC diminuirà. Ciò significa che la maggior parte della potenza sarà dissipata attraverso la resistenza di riferimento, poiché ha la caduta di tensione maggiore. Questo aiuta anche a prevenire l'autoriscaldamento ed è una buona strategia se vogliamo misurare temperature superiori all'ambiente.

Layout PCB

Per creare il PCB, utilizzeremo il template del progetto della scheda del sensore di temperatura che abbiamo creato nell'articolo precedente della serie. Il template è disponibile anche su GitHub se desideri utilizzarlo per i tuoi sensori.

Una cosa che potresti notare è che i nomi delle schede sono gli stessi presenti nel template del progetto. Questo non renderà facile gestire potenzialmente dozzine di queste schede se tutte avranno gli stessi nomi di file schematici e PCB!

Ho chiesto al mio amico Davide Bortolami se conosceva un modo per rinominare i file in un progetto Altium, poiché la mia pratica era rimuovere il file dal progetto, rinominarlo e poi aggiungerlo nuovamente al progetto. Il mio metodo era piuttosto macchinoso, quindi Davide ha immediatamente suggerito lo Storage Manager per rinominare i file. Puoi trovare lo storage manager sotto il pulsante dei pannelli nell'angolo in basso a destra di Altium.

Lo storage manager funziona benissimo anche se il tuo progetto attuale non è in un repository di controllo versione. Tutto ciò che dobbiamo fare è fare clic con il tasto destro sullo schema o sul PCB e cliccare su Rinomina (o premere F2).

Questa è una soluzione molto più elegante rispetto al metodo che avrei tipicamente utilizzato.

Quindi aggiungiamo una delle implementazioni sopra al foglio dello schema. L'unica modifica necessaria alle sezioni predefinite dello schema è collegare l'uscita analogica del sensore al connettore a bordo scheda.

Poiché questi schemi sono a terminazione singola e non differenziale, possiamo collegare il lato negativo della coppia a terra, con il lato positivo che riceve l'uscita dal divisore di tensione a esso collegato. Quindi, tutto ciò che dobbiamo fare è aggiornare la scheda per aggiungere i nuovi componenti.

Mentre lavoro sulla scheda, sto anche compilando la tabella dei canali analogici che abbiamo inserito nel modello per identificare quale canale sta utilizzando la particolare scheda del sensore. Questo dovrebbe ridurre la possibilità di aggiungere due sensori che utilizzano lo stesso canale a un singolo stack.

Le schede per questi sono ovviamente incredibilmente semplici, con solo due componenti aggiunti per scheda. Avrei potuto posizionare entrambi i sensori sulla stessa scheda, ma voglio mantenerne uno per scheda. Mantenendo ogni implementazione del sensore isolata sulla propria scheda elettronica, nessun sensore influenzerà i risultati di un altro perché condividono una scheda.

La scheda del termistore NTC da 100k è essenzialmente identica ad altre a parte i componenti resistore e termistore. Il modello di progetto facilita notevolmente il lavoro di creazione di una serie di schede elettroniche molto simili.

Implementazione NTC: Aggiunta di una resistenza in parallelo

Come menzionato sopra, possiamo aggiungere una resistenza in parallelo al termistore NTC nel nostro partitore di tensione. Questo aiuterà a linearizzare una sezione del partitore di tensione. Avere un'uscita lineare per l'intervallo di temperatura di interesse può essere utile se non si può eseguire un algoritmo sui dati raccolti per convertire il valore in una temperatura precisa. Può anche essere utile se non si dispone delle strutture per raccogliere con precisione i dati necessari per determinare i valori per l'algoritmo. La sezione lineare dell'intervallo di temperatura avrà bisogno di una lettura di tensione, che può essere interpretata come temperatura differenziale direttamente.

Per questa implementazione, sto semplicemente aggiungendo una resistenza in parallelo che linearizzerà il termistore intorno ai 25 °C. La tua implementazione dovrebbe corrispondere alla resistenza del termistore NTC nel punto centrale dell'intervallo di temperatura che stai cercando di misurare.

Ho posizionato i due resistori da 10K 0603 insieme per questa implementazione, poiché non mi aspetto che ci sia alcuna differenza misurabile nella posizione fisica del resistore parallelo rispetto al termistore. Se avessimo strumenti abbastanza precisi, potremmo probabilmente percepire un po' di calore proveniente dal resistore parallelo che riscalda il termistore se fossero vicini. Tuttavia, sarebbe una quantità così infinitamente piccola che non farebbe alcuna differenza per qualsiasi applicazione nel mondo reale.

Implementazione NTC: Aggiunta di un Seguace di Tensione

Per migliorare la stabilità del circuito, possiamo anche utilizzare un op-amp come seguace di tensione. Questo può anche darci un po' più di precisione a seconda di come è implementato il pin che misura la tensione. Un microcontrollore o un ADC dedicato avranno una certa resistenza verso terra, che è tipicamente molto alta, ma agirà comunque come un resistore parallelo al nostro partitore di tensione. Utilizzando un op-amp buffer/seguace di tensione, possiamo isolare il pin del microcontrollore dal partitore di tensione.

Sto utilizzando un amplificatore buffer a basso costo per questo circuito. Un amplificatore strumentale avrebbe un costo simile. È importante notare che alcuni dei sensori analogici e digitali che esamineremo più avanti nella serie costano meno del solo amplificatore buffer e hanno una maggiore precisione e linearità rispetto a un termistore PTC o NTC. Quindi, mentre questo circuito dovrebbe fornire una lettura più accurata, probabilmente non avrebbe molto senso in un'implementazione di dispositivo reale a meno che non si stia leggendo un termistore da un dispositivo/macchinario esterno dove non è possibile cambiare l'elemento di rilevamento.

Potresti anche utilizzare un amplificatore operazionale generico per questo, con un costo ridotto. Gli amplificatori buffer hanno un guadagno di uno, quindi non è richiesta una connessione di feedback - e, cosa più importante, hanno un'impedenza di ingresso e uscita eccezionalmente alta. Questa alta impedenza, rispetto a un normale amplificatore operazionale, offre una maggiore precisione nella lettura di un divisore di tensione come questo. Detto ciò, un amplificatore buffer come questo è eccessivo per un termistore NTC, poiché è più che capace di gestire segnali GHz.

Il PCB per l'implementazione del seguitore di tensione segue lo stesso stile generale degli altri, con l'amplificatore buffer e il resistore divisore sul lato opposto della pausa termica. Ancora una volta, non mi aspetterei che ci sia alcun calore misurabile dall'amplificatore buffer condotto al termistore se fossero posizionati insieme. Questo design continua con il tema di mantenere solo l'elemento di rilevamento all'interno dell'area della pausa termica in modo che tutte le nostre misurazioni siano coerenti e non influenzate da altri componenti nelle vicinanze.

Altre Opzioni: Ponte di Wheatstone

Potresti anche utilizzare un ponte di Wheatstone per una misurazione ancora più precisa del termistore. Tuttavia, non lo implementerò per un termistore NTC in questa serie. Nell'articolo sul Detector di Temperatura a Resistenza (RTD), troverai maggiori informazioni sull'implementazione di un ponte di Wheatstone. Sebbene un termistore implementato correttamente e utilizzato con la formula corretta possa essere abbastanza preciso, utilizzare un ponte di Wheatstone su un sensore relativamente inaccurato non vale il tempo e il costo di implementazione. I risultati dalle semplici applicazioni sopra descritte ti permetteranno di ottenere il massimo da un termistore NTC come sensore di temperatura.

Testa tu stesso i PCB dei Termistori NTC

Queste schede di test per sensori sono open source, controlla il repository su GitHub per scaricare i progetti e utilizzarli tu stesso. Se stai cercando di valutare alcuni termistori NTC, i file di progetto per queste schede ti faranno risparmiare tempo. Troverai anche tutte le schede sensori che sviluppiamo durante questa serie nello stesso repository GitHub, quindi potresti essere in grado di dare un'occhiata in anteprima a ciò che verrà presentato successivamente nella serie controllando il repository!

Vuoi scoprire di più su come Altium può aiutarti con il tuo prossimo design di PCB? Ti stai ancora chiedendo cos'è un termistore NTC? Parla con un esperto di Altium.