Sensori di temperatura: Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)

Questa è la parte 3 del nostro progetto per testare ogni tipo di sensore di temperatura con tutte le implementazioni/topologie standard. Se vuoi aggiungere un sensore di temperatura al tuo progetto, questa serie ti offre tutte le opzioni coprendo l'intera gamma di precisione e costo. Alla fine della serie costruiremo un paio di schede host per tutte le schede sensori che abbiamo sviluppato, il che ci permetterà di testare, confrontare e contrapporre i diversi tipi di sensori su un'intera gamma di temperature e condizioni. In questa puntata della serie, ci immergiamo nei sensori a termistore con Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC).

Nell'introduzione a questa serie, abbiamo costruito un template di progetto per le schede sensori di temperatura analogiche, e un altro per le schede digitali. Puoi trovare questi template e le implementazioni dei sensori per i termistori PTC trattati in questo articolo su GitHub. Come sempre, questi progetti sono open source, rilasciati sotto la licenza MIT che ti permette di usarli con pochissime restrizioni.

Puoi trovare una gamma completa di termistori PTC e decine di migliaia di altri componenti e sensori nella mia Biblioteca Celeste Altium, la più grande libreria open source per Altium Designer®. Puoi anche dare un'occhiata ai sensori termistori PTC su Octopart se vuoi vedere le scorte di componenti dai distributori.

In questa serie, andremo a esaminare una vasta gamma di sensori di temperatura, parlando dei loro vantaggi e svantaggi, e 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)
• IC Sensori di Temperatura Analogici
• IC Sensori di Temperatura Digitali
• Termocoppie

Sopra è riportato il design del PCB di cui leggerai nel Visualizzatore Altium 365; un modo gratuito per connetterti con i tuoi colleghi, clienti e amici con la possibilità di visualizzare il design o scaricarlo con un semplice clic! Carica il tuo design in pochi secondi e hai un modo interattivo per esaminarlo in dettaglio senza bisogno di software ingombranti o di grande potenza computazionale.

Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)

Come suggerisce il nome, i termistori a coefficiente di temperatura positivo, o PTC per brevità, hanno una resistenza che aumenta all'aumentare della loro temperatura - esattamente l'opposto dei termistori NTC di cui si è parlato nell'articolo precedente di questa serie. Questo può offrire alcune applicazioni molto interessanti; ad esempio, i fusibili ripristinabili PTC sono correlati ai termistori PTC. Mentre cerchiamo di limitare la corrente attraverso un dispositivo per ridurre l'autoriscaldamento, un fusibile PTC utilizza l'autoriscaldamento per limitare la corrente a causa dell'aumento della resistenza man mano che la temperatura sale.

I termistori NTC sono di gran lunga i più popolari nei circuiti in uso. La maggior parte dei circuiti integrati che hanno connessioni per un termistore supporteranno solo un termistore NTC, come i circuiti di caricabatterie. Inoltre, le resistenze dei termistori NTC a 25 °C sono significativamente più alte di quelle della varietà PTC. I termistori NTC più comuni sono da 10k e 100k ohm, dove i PTC sono da 470 ohm e 1k ohm. Le tolleranze per i sensori termistori PTC possono comunemente essere del 50%, il che non fornirà una lettura accurata della temperatura senza una calibrazione accurata. Anche se l'intervallo di tolleranza è relativamente ampio, la maggior parte dei fogli dati dei produttori mostra che la curva di risposta della temperatura è tipicamente consistente, il che significa che il dispositivo dovrebbe necessitare solo di una calibrazione iniziale a una singola temperatura nota.

Ci sono diversi tipi di termistori PTC, come possiamo vedere nell'albero genealogico di TI sopra.

Sebbene i termistori PTC non siano tipicamente la prima scelta come sensori di temperatura a causa della loro necessità di calibrazione e della bassa resistenza, possono essere utilizzati in determinati circuiti. Dove un termistore PTC può rivelarsi incredibilmente utile nel tuo circuito è per applicazioni in cui desideri avere una riduzione della corrente elettrica all'aumentare della temperatura. Questo può essere molto pratico per una scheda con LED che hanno resistori limitatori di corrente e saranno esposti a un'ampia gamma di temperature. Utilizzando un termistore PTC da 470 Ohm o 1k Ohm, forse in serie con un resistore normale per regolare finemente la corrente, puoi limitare la potenza a un LED. Man mano che la temperatura della scheda aumenta, il LED riceverà meno potenza. Inoltre, la corrente totale diminuirà, quindi ci sarà meno riscaldamento Joule durante il funzionamento. Questa crescente restrizione nella corrente è essenziale perché i LED falliscono principalmente a causa della temperatura della giunzione. Riducendo la corrente e la dissipazione di calore nel LED ad alte temperature, puoi notevolmente estendere la durata di vita del LED. Alternativamente, se hai bisogno di aumentare la corrente verso qualche altro elemento all'aumentare della temperatura, dovresti mettere il termistore PTC in parallelo.

Per questo progetto, includerò due termistori PTC. Il primo è l'opzione confezionata 0402 o 0603 più disponibile su Digi-Key e ha una tolleranza del 50%. Non è realmente inteso per applicazioni di rilevamento della temperatura, ma ho pensato che sarebbe stato interessante includerlo come esempio di un componente con una tolleranza molto bassa. Il secondo è un termistore PTC con tolleranza dello 0,5% e 1k, che è destinato per applicazioni di rilevamento della temperatura.

Implementazione PTC: Divisore di Tensione

L'implementazione per il partitore di tensione sui termistori PTC è identica a quella NTC nell'articolo precedente di questa serie. Il termistore da 470 Ohm ha un intervallo di tolleranza così ampio che non ritengo valga la pena aggiungere un'altra linea al BOM per assegnargli un valore diverso per la resistenza superiore rispetto a quella che uso per il termistore da 1k Ohm.

Ancora una volta, se dovessi implementare questo nel tuo progetto, guarderesti il grafico della resistenza per il termistore PTC e sceglieresti una resistenza appropriata per ottimizzare la tua tensione di uscita per l'intervallo che devi rilevare.

Con i modelli di progetto del sensore che abbiamo creato nella prima puntata di questa serie, creare il PCB è relativamente banale. I modelli hanno già il 90% del routing completato, e dobbiamo solo posizionare i due nuovi componenti. Con un po' di lavoro di routing del nuovo sensore, la scheda di valutazione è pronta per l'uso.

La scheda termistore PTC da 1K è naturalmente quasi identica nell'aspetto, ma il termistore è disponibile in un pacchetto 0402 piuttosto che 0603. Se volessi valutare qualsiasi altro termistore di dimensione 0402 o 0603, potresti prendere i file di progetto per queste schede dal repository GitHub e realizzare le tue schede con i tuoi sensori termistori.

Implementazione PTC: Aggiunta di un Seguace di Tensione

Sto utilizzando il termistore PTC da 1K ohm con tolleranza più precisa dello 0,5% con il seguace di tensione poiché è progettato per applicazioni di rilevamento della temperatura, e l'opzione da 470 ohm che stiamo testando è destinata ad applicazioni di limitazione della corrente. Il termistore da 470 ohm non avrebbe molto senso collegarlo a un circuito che fornirà un risultato di rilevamento più accurato, poiché la sua tolleranza è così ampia.

Proprio come i termistori NTC dell'articolo precedente di questa serie, ciò probabilmente ti fornirà una lettura più accurata, ma il costo combinato di un amplificatore di buffer e il sensore potrebbe permetterti di acquistare un bel sensore analogico con un'uscita lineare e una tolleranza stretta. Questo è più una dimostrazione per ottenere una lettura più stabile e accurata se sei costretto ad usare un termistore PTC in un dispositivo esterno e non hai la possibilità di scegliere tu stesso un sensore di temperatura.

L'uso di un seguitore di tensione 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 avrà tipicamente una resistenza molto alta verso terra, ma agirà comunque come un resistore parallelo al nostro partitore di tensione. Aggiungendo un amplificatore operazionale buffer/seguitore di tensione al circuito, possiamo isolare il pin del microcontrollore dal partitore di tensione.

Il PCB per l'implementazione del seguitore di tensione segue lo stesso tema degli altri circuiti con termistore PTC. Il termistore si trova sul lato opposto della rottura termica rispetto ai componenti non sensibili. Mantenendo solo l'elemento sensibile all'interno dell'area della rottura termica, tutte le nostre misurazioni saranno consistenti e non influenzate da altri componenti nelle vicinanze. Non mi aspetterei che nessuno degli altri componenti generi abbastanza calore da influenzare la lettura della temperatura determinata dal termistore PTC. Tuttavia, l'obiettivo qui è confrontare direttamente i sensori con altri tipi di componenti e topologie, quindi li terremo isolati da qualsiasi altro circuito.

Altre Opzioni: Ponte di Wheatstone

Un ponte di Wheatstone è uno strumento fantastico per misurare cambiamenti minimi nella resistenza con grande precisione. Un modo per farlo è posizionare l'elemento sensore in una delle branche del ponte e calibrare il dispositivo in modo tale che la tensione attraverso l'uscita sia zero. Potresti quindi determinare il cambiamento di resistenza di un termistore PTC misurando la tensione attraverso l'uscita del ponte. Tuttavia, non vale la pena di utilizzare un componente intrinsecamente inaccurato, come un termistore, come parte di un circuito di precisione perché le altre resistenze richieste per calibrare il circuito di misurazione sarebbero diverse da scheda a scheda. Il compromesso ingegneristico non vale la pena - se sei costretto a usare un termistore PTC come sensore per la misurazione a causa di requisiti esterni, il semplice metodo del divisore di tensione ti permetterà di misurare la temperatura con sufficiente accuratezza. Se puoi scegliere i tuoi componenti per misurare la temperatura, otterrai un risultato di qualità superiore utilizzando un circuito integrato di precisione per il rilevamento della temperatura. Il circuito integrato di precisione costerà meno dei componenti necessari per un ponte di Wheatstone.

Testa da solo le schede con termistore PTC

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 sensori termistori a coefficiente di temperatura negativo, 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!

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