Termistory NTC na PCB jako czujniki temperatury

W wprowadzeniu do tej serii rozpoczęliśmy pracę nad testowaniem wszystkich różnych typów temperatur, tworząc zestaw szablonów projektowych: jeden dla czujników analogowych i jeden dla czujników cyfrowych. Te szablony oraz implementacje czujników dla tych termistorów NTC można znaleźć na GitHubie. Jak zawsze, te projekty są otwartym oprogramowaniem, wydanym na licencji MIT, co pozwala na ich używanie z bardzo niewielkimi ograniczeniami. 

W tym artykule zaczniemy od naszego pierwszego typu czujnika temperatury, termistora o negatywnym współczynniku temperatury (NTC). Termistory NTC są prawdopodobnie najczęściej używaną klasą czujników temperatury, ponieważ są tanie, łatwe w użyciu i pomimo tego, że nie są niesamowicie precyzyjne, są wystarczająco dokładne dla większości zastosowań.

Jeśli szukasz termistorów NTC, przejdź do Octopart i sprawdź, co jest dostępne u Twojego ulubionego dystrybutora. Możesz również znaleźć pełną gamę termistorów NTC oraz dziesiątki tysięcy innych komponentów i czujników w mojej Celestial Altium Library, największej otwartej bibliotece dla Altium Designer®.

W tej serii przyjrzymy się szerokiej gamie czujników temperatury, omawiając ich zalety i wady, jak również powszechne implementacje/topologie ich zastosowania. Seria będzie obejmować:

• Termistory o negatywnym współczynniku temperatury (NTC)
• Termistory o pozytywnym współczynniku temperatury (PTC)
• Detektory temperatury oporowej (RTD)
• Analogowe układy scalone czujników temperatury
• Cyfrowe układy scalone czujników temperatury
• Termopary

Wykrywanie za pomocą termistorów

Pomimo tego, co właśnie powiedziałem o termistorach nie będących szczególnie precyzyjnymi, są one szeroko stosowane. Większość aplikacji nie wymaga większej precyzji temperatury niż kilka stopni Celsjusza. Podczas budowania podstawowej ochrony termicznej lub kompensacji termicznej, termistory PTC lub NTC są wystarczająco dobre. Większość drukarek 3D używa termistorów do ich podgrzewanych łóżek i gorących końcówek, dlatego musisz kalibrować ustawienia temperatury filamentu dla każdej drukarki. Dla mnie, drukując ten sam materiał z trzema różnymi gorącymi końcówkami, mam trzy temperatury w zakresie prawie 10 °C. Czujniki temperatury PTC lub NTC są bardzo tanie w użyciu, co jest fantastyczne dla urządzeń niskokosztowych, zwłaszcza tam, gdzie można skalibrować czujnik w obwodzie w momencie produkcji, lub użytkownik może to zrobić.

Koszt termistorów jest równoważony przez dodatkowy wysiłek inżynierski, aby uzyskać dokładny pomiar temperatury, szczególnie w szerokim zakresie temperatur. To czyni je bardzo dobrymi do zastosowań ochronnych, gdzie ogólna idea temperatury jest akceptowalna. Większość pakietów baterii litowo-jonowych będzie implementować termistor NTC 10k, aby wyłączyć ładowanie, jeśli ogniwa będą zbyt gorące, w celu zapobiegania katastrofalnej awarii.

Negatywny Współczynnik Temperaturowy (NTC) Termistory

Termistor NTC to rezystor, w którym oporność spada wraz ze wzrostem temperatury. Pozwala to na typowe metody pomiaru oporności w obwodzie do obliczenia temperatury rezystora. Niestety, zmiana temperatury jest nieliniowa, co oznacza, że nie można bezpośrednio zmierzyć zmiany temperatury przez zmianę oporności. Wiele producentów dostarczy krzywą oporności-temperatury, a nawet formułę do obliczenia temperatury z oporności, co oznacza, że mikrokontroler może być użyty do uzyskania stosunkowo dokładnego pomiaru. Zakładając, że producent nie dostarcza tych informacji, można użyć precyzyjnego czujnika temperatury lub komory środowiskowej, aby zmierzyć czujnik w określonych punktach ustawień, aby samemu określić formułę.

W tym projekcie przyjrzymy się dwóm różnym termistorom NTC oraz kilku ich zastosowaniom. Są to termistory o wąskiej tolerancji, ale mimo to nie są nadmiernie drogie w porównaniu z innymi termistorami o niższej tolerancji.

Obydwa te komponenty są montowane powierzchniowo; jednakże komponenty przewlekane są łatwo dostępne. Typowym zastosowaniem komponentów przewlekanych jest lutowanie ich na końcu pary przewodów do zdalnego czujnika. Jeśli chcesz przetestować termistor na przewodzie, nie wydając dużo pieniędzy, poszukaj czujników temperatury do drukarek 3D, zwykle będą to termistory 10K. Jednakże, niektóre drukarki używają termistorów 100K zamiast tego.

Zakres temperatur pomiarowych termistorów jest zaletą w porównaniu z niektórymi czujnikami, które omówimy później. Zakres pomiarowy obejmował pełny zakres pracy czujnika, co pozwalało na jego użycie w szerokiej gamie aplikacji. Jako że termistory są takie proste, możesz używać ich również poza tymi zalecanymi zakresami, pod warunkiem, że lutowie nie przekształci się w stan ciekły, lub skurcz termiczny nie uszkodzi urządzenia.

Główna różnica między dwoma czujnikami, poza rozmiarem obudowy, to oporność przy 25 °C - mamy termistor NTC 100k i 10k, które są najczęściej używanymi wartościami. 

Karty katalogowe tych dwóch czujników wydają się być dość liniowe, dopóki nie zda się sobie sprawy, że oś oporu jest logarytmiczna. Na skali liniowej, jak na poniższym wykresie, widać, że opór jest daleki od bycia liniowym przy bezpośrednim odczycie.

Możemy umieścić rezystor, który pasuje do oporu termistora w środku zakresu temperatury, który nas interesuje, równolegle z termistorem, aby uczynić mały fragment krzywej bardziej liniowym. To może ułatwić prostsze obliczenia i kalibrację w liniowym zakresie temperatur. Zakładając, że masz możliwość zmierzenia pełnego profilu termistora, aby obliczyć wartości dla formuły termistora, lub producent jest na tyle uprzejmy, że dostarcza je w karcie katalogowej, wtedy możesz zaoszczędzić na rezystorze i nadal mieć dokładny pomiar na całym zakresie.

Implementacja termistora NTC: Dzielnik napięcia

Najprostszym sposobem, w jaki możemy zmierzyć temperaturę, jest użycie dzielnika napięcia. Możesz użyć termistora jako górnego lub dolnego ramienia dzielnika potencjału. Jeśli użyjesz termistora jako „górnego” ramienia dzielnika potencjału, napięcie będzie wzrastać wraz ze wzrostem temperatury. Jeśli użyjesz termistora jako dolnego ramienia dzielnika napięcia, wtedy napięcie będzie spadać wraz ze wzrostem temperatury.

Każda z metod jest poprawna. Jednak sugerowałbym próbę zmniejszenia prądu przez dzielnik, aby zapobiec samonagrzewaniu się termistora. W zależności od wartości i wymagań termistora NTC, możesz być w stanie zoptymalizować implementację, zmieniając topologię.

W mojej implementacji używam prostego dzielnika, który nie jest zoptymalizowany pod kątem żadnego konkretnego zakresu temperatur, używając górnego dzielnika, który pasuje do oporności termistora przy 25 °C. Przy 25 °C, powinniśmy oczekiwać połowy napięcia wejściowego. Zakładając, że budujesz w ten sposób czujnik temperatury, powinieneś mieć zrozumienie zakresu temperatur, z którym pracujesz i zoptymalizować oporność oraz topologię, aby zapewnić jak najszerszy możliwy zakres napięcia do dokładniejszego mierzenia temperatury.

Zauważ, że wraz ze wzrostem temperatury, oporność termistora NTC będzie spadać. Oznacza to, że większość mocy będzie tracona na rezystorze referencyjnym, ponieważ ma on większy spadek napięcia. Pomaga to również zapobiegać samonagrzewaniu i jest dobrą strategią, jeśli chcemy mierzyć temperatury powyżej otoczenia.

Układ PCB

Aby stworzyć PCB, będziemy korzystać ze szablonu projektu Karty Czujnika Temperatury, który stworzyliśmy w poprzednim artykule z serii. Szablon jest również dostępny na GitHub, jeśli chciałbyś go użyć do własnych czujników.

Jedną rzeczą, którą możesz zauważyć, jest to, że nazwy płyt są takie same, jak w szablonie projektu. To nie ułatwi zarządzania potencjalnie dziesiątkami tych płyt, jeśli wszystkie będą miały te same nazwy schematów i plików PCB!

Zapytałem mojego przyjaciela Davide Bortolami, czy zna sposób na zmianę nazw plików w projekcie Altium, ponieważ moją praktyką było usunięcie pliku z projektu - zmienienie jego nazwy, a następnie dodanie go z powrotem do projektu. Moja metoda była dość nieporęczna, więc Davide natychmiast zaproponował użycie Menedżera Magazynu do zmiany nazw plików. Menedżera magazynu można znaleźć pod przyciskiem paneli w prawym dolnym rogu Altium.

Menedżer magazynu działa całkiem dobrze, nawet jeśli Twój obecny projekt nie jest w repozytorium kontroli wersji. Wszystko, co musimy zrobić, to kliknąć prawym przyciskiem myszy na schemat lub PCB i kliknąć Zmień nazwę (lub nacisnąć F2).

To znacznie bardziej eleganckie rozwiązanie niż metoda, której zwykle bym używał.

Następnie dodajemy jedną z implementacji z powyższego do arkusza schematu. Jedyną zmianą, jaką musimy wprowadzić w szablonowych sekcjach schematu, jest połączenie analogowego wyjścia czujnika z złączem krawędziowym karty.

Ponieważ te schematy są jednostronne, a nie różnicowe, możemy połączyć negatywną stronę pary z masą, a do pozytywnej strony podłączyć wyjście z dzielnika napięcia. Następnie wszystko, co musimy zrobić, to zaktualizować płytę, dodając nowe komponenty.

Pracując nad płytą, wypełniam również tabelę kanałów analogowych, którą umieściliśmy w szablonie, aby zidentyfikować, z którego kanału korzysta dana karta czujnika. Powinno to zmniejszyć szansę dodania dwóch czujników korzystających z tego samego kanału do jednego stosu.

Płyty do tych są oczywiście niewiarygodnie proste, z dodanymi tylko dwoma komponentami na płytę. Mogłem umieścić oba czujniki na tej samej płycie, ale chcę zachować zasadę jednego czujnika na płytę. Zachowując każdą implementację czujnika izolowaną na własnej płycie drukowanej, żaden czujnik nie wpłynie na wyniki żadnego innego, ponieważ dzielą płytę.

Płyta z termistorem NTC 100k jest zasadniczo identyczna z wyjątkiem komponentów rezystora i termistora. Szablon projektu ułatwia tworzenie serii bardzo podobnych płyt drukowanych.

IMPLEMENTACJA NTC: Dodawanie rezystora równoległego

Jak wspomniano powyżej, możemy dodać rezystor równoległy do termistora NTC w naszym dzielniku napięcia. Pomoże to zlinearyzować część dzielnika napięcia. Posiadanie liniowego wyjścia dla zakresu temperatur, który nas interesuje, może być przydatne, jeśli nie możemy uruchomić algorytmu na zebranych danych, aby przekształcić wartość na dokładną temperaturę. Może to być również pomocne, jeśli nie mamy możliwości dokładnego zebrania niezbędnych danych do określenia wartości dla algorytmu. Liniowa sekcja zakresu temperatur będzie wymagała odczytu napięcia, który można interpretować jako różnicę temperatur bezpośrednio.

W tej implementacji po prostu dodaję rezystor równoległy, który zlinearyzuje termistor w okolicach 25 °C. Twoja implementacja powinna dopasować się do oporności termistora NTC w punkcie centralnym zakresu temperatur, który próbujesz zmierzyć.

Umieściłem dwa rezystory 10K 0603 razem w tej implementacji, ponieważ nie spodziewam się, aby jakakolwiek mierzalna różnica w fizycznej pozycji równoległego rezystora do termistora miała miejsce. Gdybyśmy mieli wystarczająco precyzyjne instrumenty, prawdopodobnie moglibyśmy wyczuć nieco ciepła od rezystora równoległego ogrzewającego termistor, jeśli byłyby one blisko siebie. Jednakże, byłoby to tak znikomo mała ilość, że nie robiłoby to różnicy w żadnej rzeczywistej aplikacji.

Implementacja NTC: Dodanie Wzmacniacza Napięcia

Dla poprawy stabilności obwodu, możemy również użyć wzmacniacza operacyjnego jako wzmacniacza napięcia. Może to również dać nam trochę dodatkowej precyzji, w zależności od tego, jak zaimplementowane jest wejście mierzące napięcie. Mikrokontroler lub dedykowany przetwornik ADC będzie miał pewną rezystancję do ziemi, która jest zwykle bardzo wysoka, ale nadal będzie działać jako rezystor równoległy do naszego dzielnika napięcia. Używając bufora/wzmacniacza napięcia, możemy izolować wejście mikrokontrolera od dzielnika napięcia.

Używam stosunkowo taniego wzmacniacza buforowego do tego obwodu. Wzmacniacz instrumentalny miałby podobny koszt. Warto zauważyć, że niektóre z analizowanych przez nas później czujników analogowych i cyfrowych kosztują mniej niż sam wzmacniacz buforowy i mają większą precyzję oraz liniowość niż termistory PTC lub NTC. Więc chociaż ten obwód powinien zapewnić dokładniejszy odczyt, prawdopodobnie nie miałoby to większego sensu w rzeczywistej implementacji urządzenia, chyba że odczytujesz termistor z zewnętrznego urządzenia/maszyny, gdzie nie możesz zmienić elementu czujnika.

Można również użyć uniwersalnego wzmacniacza operacyjnego do tego celu, z obniżonym kosztem. Wzmacniacze buforowe mają wzmocnienie równe jeden, więc nie wymagają połączenia zwrotnego - co ważniejsze, mają wyjątkowo wysoką impedancję wejściową i wyjściową. Ta wysoka impedancja w porównaniu do zwykłego wzmacniacza operacyjnego oferuje większą dokładność przy odczycie dzielnika napięcia, takiego jak ten. Mimo to, wzmacniacz buforowy jak ten to ogromna przesada dla termistora NTC, ponieważ jest więcej niż zdolny do obsługi sygnałów GHz.

PCB do implementacji wtórnika napięciowego jest utrzymany w tym samym ogólnym stylu co pozostałe, z buforem wzmacniacza i rezystorem dzielnika po przeciwnej stronie przerwy termicznej. Ponownie, nie spodziewałbym się, aby ciepło z wzmacniacza buforowego było przewodzone do termistora, gdyby zostały umieszczone razem. Ten projekt kontynuuje temat umieszczania jedynie elementu czujnika w obszarze przerwy termicznej, dzięki czemu wszystkie nasze pomiary będą spójne i nie będą zaburzone przez inne komponenty znajdujące się w pobliżu.

Inne opcje: Mostek Wheatstone'a

Można również użyć mostka Wheatstone'a dla jeszcze bardziej precyzyjnego pomiaru termistora. Jednak nie zamierzam go implementować dla termistora NTC w tej serii. W artykule o detektorze temperatury oporu (RTD) znajdziesz więcej informacji na temat implementacji mostka Wheatstone'a. Chociaż termistor zastosowany poprawnie i użyty z odpowiednią formułą może być dość precyzyjny, użycie mostka Wheatstone'a na stosunkowo niedokładnym czujniku nie jest warte czasu i kosztów implementacji. Wyniki z prostych zastosowań powyżej pozwolą Ci w pełni wykorzystać termistor NTC jako czujnik temperatury.

Przetestuj samodzielnie płytki termistora NTC

Te karty testowe czujników są otwartego źródła, sprawdź repozytorium na GitHubie, aby pobrać projekty i użyć ich samodzielnie. Jeśli szukasz sposobu na ocenę termistorów NTC, pliki projektowe tych płyt zaoszczędzą Ci czasu. Znajdziesz tam również wszystkie karty czujników, które opracowujemy w ramach tej serii, więc możesz zerknąć, co pojawi się następnie w serii, sprawdzając repozytorium!

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Nadal zastanawiasz się, co to jest termistor NTC? Porozmawiaj z ekspertem z Altium.