温度センサー：正温度係数（PTC）サーミスタ

これは、あらゆるタイプの温度センサーをテストするプロジェクトの第3部です。すべての標準的な実装/トポロジーで行います。プロジェクトに温度センサーを追加したい場合、このシリーズは精度とコストの全範囲をカバーするすべてのオプションを提供します。シリーズの最後には、開発したすべてのセンサーカード用のホストボードを2枚組み立て、さまざまなセンサータイプを全温度範囲および条件下でテスト、比較、対照することができます。このシリーズのこの回では、正の温度係数（PTC）サーミスタセンサーについて詳しく説明します。

このシリーズの導入部では、アナログ温度センサーボード用のプロジェクトテンプレートと、デジタルボード用の別のテンプレートを作成しました。これらのテンプレートと、この記事で取り上げるPTCサーミスタのセンサー実装はGitHubで見つけることができます。いつものように、これらのプロジェクトはオープンソースで、MITライセンスの下でリリースされており、ほとんど制限なく使用できます。

PTCサーミスタをはじめ、数万種類の他のコンポーネントやセンサーを、天のAltiumライブラリーで見つけることができます。これは、Altium Designer^®用の最大のオープンソースライブラリーです。また、ディストリビューターからのコンポーネント在庫を見たい場合は、Octopart上のPTCサーミスタセンサーをご覧ください。

このシリーズでは、さまざまな温度センサーを取り上げ、それぞれの利点と欠点、一般的な実装/トポロジーについて話していきます。このシリーズでは、以下をカバーします：

• 負温度係数（NTC）サーミスタ
• 正温度係数（PTC）サーミスタ
• 抵抗温度検出器（RTD）
• アナログ温度センサIC
• デジタル温度センサIC
• 熱電対

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正温度係数（PTC）サーミスタ

名前が示すように、正の温度係数サーミスター、または短くPTCは、温度が上がるにつれて抵抗が増加する特性を持っています - これは、このシリーズの前の記事で取り上げたNTCサーミスターとは正反対です。これにより、非常に興味深い応用が可能になります。例えば、PTCリセッタブルヒューズはPTCサーミスターに関連しています。自己発熱を抑えるためにデバイスを通る電流を制限しようとしている間に、PTCヒューズは温度が上昇するにつれて抵抗が増加するために電流を制限する自己発熱を利用します。

NTCサーミスターは、野外の回路で最も人気があります。サーミスターの接続を持つほとんどの集積回路は、バッテリー充電回路など、NTCサーミスターのみをサポートします。さらに、25°CでのNTCサーミスターの抵抗は、PTCのものよりもかなり高いです。最も一般的なNTCサーミスターは10kおよび100kオームで、PTCは470オームおよび1kオームです。PTCサーミスターセンサーの許容差は一般的に50%であり、正確な校正なしには正確な温度読み取りを提供しません。許容範囲は比較的大きいですが、ほとんどのメーカーのデータシートは、温度応答曲線が一般に一貫していることを示しており、デバイスは単一の既知の温度での初期校正のみが必要であることを意味します。

TIのファミリーツリーからわかるように、PTCサーミスタにはいくつかの異なるタイプがあります。

PTCサーミスタは、校正が必要で抵抗が低いため、通常は温度センサーの最初の選択肢ではありませんが、特定の回路で使用することができます。PTCサーミスタが回路で非常に役立つのは、温度が上昇するにつれて電流の流れを減少させたいアプリケーションです。これは、電流制限抵抗を持つLEDを搭載し、幅広い温度範囲にさらされる基板にとって非常に実用的です。470オームまたは1kオームのPTCサーミスタを使用し、電流の流れを微調整するために通常の抵抗器と直列にすることで、LEDへの電力を制限できます。基板の温度が上昇すると、LEDはより少ない電力を受け取ります。さらに、全体の電流が減少するため、運用中のジュール熱が少なくなります。この電流の増加する制限は、LEDが主に接合部温度で故障するため、重要です。高温時にLED内の電流の流れと熱放散を減少させることで、LEDの寿命を大幅に延ばすことができます。また、温度が上昇するにつれて他の要素に電流を増加させる必要がある場合は、PTCサーミスタを並列に配置します。

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このプロジェクトでは、2つのPTCサーミスタを含めることにしました。最初のものは、Digi-Keyで最も在庫がある0402または0603パッケージオプションで、許容差は50%です。これは実際には温度センシング用途を意図したものではありませんが、非常に低い許容差のコンポーネントの例として含めるのは興味深いと思いました。2つ目は、温度センシング用途を意図した0.5%許容差の1k PTCサーミスタです。

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PTC実装：電圧分割器

PTCサーモスタットにおける電圧分割器の実装は、このシリーズの前の記事で紹介されたNTCの実装と同じです。470オームのサーモスタットは非常に広い許容範囲を持っているため、1kオームのサーモスタットに使用している上部抵抗器と異なる値を与えるために別のBOM行を追加する価値があるとは感じません。

もし自分のプロジェクトでこれを実装する場合、PTCサーモスタットの抵抗グラフを見て、必要な範囲の出力電圧を最適化するための適切な抵抗器を選択します。

このシリーズの最初のインストールで作成したセンサープロジェクトテンプレートを使用すると、PCBの作成は比較的簡単です。テンプレートには90％のルーティングがすでに完了しており、新しい2つのコンポーネントを配置するだけです。新しいセンサーのルーティングを少し行うことで、評価カードは使用準備が整います。

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1K PTCサーミスタボードはもちろん外見上ほぼ同じですが、サーミスタは0603パッケージではなく0402パッケージで提供されます。他の0402または0603サイズのサーミスタを評価したい場合は、これらのボードのプロジェクトファイルをGitHubリポジトリから取得し、独自のサーミスタセンサーを搭載したボードを作成できます。

PTC実装：電圧フォロワーの追加

私は、温度センシングアプリケーション用に設計された電圧フォロワーを使用して、より精密な0.5％許容誤差の1KオームPTCサーミスタを使用しています。また、テストしている470オームのオプションは、電流制限アプリケーション用です。許容誤差が非常に大きいため、より正確なセンシング結果を提供する回路に470オームのサーミスタを接続することはあまり意味がありません。

前回の記事で取り上げたNTCサーミスタと同様に、これによりより正確な読み取りが可能になるかもしれませんが、バッファアンプとセンサーの組み合わせたコストで、線形出力と厳密な許容誤差を持つ良質なアナログセンサーを購入できるかもしれません。これは、外部デバイスでPTCサーミスタを使用せざるを得ない場合、または自分で温度センサーを選択する能力がない場合に、より安定して正確な読み取りを得るためのデモンストレーションです。

電圧フォロワーを使用することで、電圧を測定しているピンの実装方法によっては、少しの精度向上が得られることもあります。マイクロコントローラーや専用のADCは通常、グラウンドに対して非常に高い抵抗を持ちますが、電圧分割器に対して並列抵抗として機能します。回路にバッファ/電圧フォロワーのオペアンプを追加することで、マイクロコントローラーのピンを電圧分割器から隔離することができます。

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電圧フォロワーの実装に使用されるPCBは、他のPTCサーミスタボードと同じテーマに従います。サーミスタは、非感知コンポーネントとは反対側の熱ブレークに配置されています。感知要素のみを熱ブレークエリア内に保持することで、近くの他のコンポーネントによって偏りが生じることなく、すべての測定が一貫性を持ちます。PTCサーミスタから決定する温度読み取りに影響を与えるほど、他のコンポーネントが十分な熱を発生させるとは思えません。しかし、ここでの目標は、センサーを他のコンポーネントタイプやトポロジーと直接比較することなので、他の回路から隔離して保持するつもりです。

他のオプション：ウィートストンブリッジ

ウィートストンブリッジは、非常に正確に微小な抵抗変化を測定するための素晴らしいツールです。これを行う一つの方法は、センサー要素をブリッジの一つの脚に配置し、出力の電圧がゼロになるようにデバイスを校正することです。その後、ブリッジの出力を渡る電圧を測定することで、PTCサーミスタの抵抗変化を決定できます。しかし、サーミスタのような本質的に不正確な部品を、他の抵抗器がボードごとに異なるような精密回路の一部として使用することは、時間の無駄です。エンジニアリングのトレードオフはそれだけの価値がありません - 外部要件のためにPTCサーミスタを測定用センサーとして使用する必要がある場合、単純な電圧分割器の方法で十分に正確に温度を測定できます。温度測定用の部品を自分で選べる場合は、温度センシング用の精密集積回路を使用することで、より高品質な結果を得ることができます。精密集積回路は、ウィートストンブリッジに必要な部品よりもコストが低くなります。

PTCサーミスタボードを自分でテストしてみてください

これらのセンサーテストカードはオープンソースです。GitHubのリポジトリをチェックして、デザインをダウンロードして自分で使用してみてください。負の温度係数サーミスタセンサーを評価したい場合、これらのボードのプロジェクトファイルが時間の節約になります。

このシリーズで開発するすべてのセンサーカードも同じGitHubリポジトリにありますので、リポジトリをチェックすることで次に何が来るのかちょっと覗いてみることができるかもしれません！

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