Czujniki temperatury: Termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC)

To jest część 3 naszego projektu mającego na celu przetestowanie każdego typu czujnika temperatury we wszystkich standardowych implementacjach/topologiach. Jeśli chcesz dodać czujnik temperatury do swojego projektu, ta seria ma Cię w pełni przygotowanego ze wszystkimi opcjami obejmującymi pełny zakres precyzji i kosztów. Na końcu serii zbudujemy parę płyt głównych dla wszystkich kart czujników, które opracowaliśmy, co pozwoli nam testować, porównywać i kontrastować różne typy czujników w pełnym zakresie temperatur i warunków. W tej odsłonie serii, zagłębiamy się w czujniki termistorowe z Dodatnim Współczynnikiem Temperatury (PTC).

W wprowadzeniu do tej serii, zbudowaliśmy szablon projektu dla analogowych kart czujników temperatury, oraz inny dla cyfrowych kart. Te szablony oraz implementacje czujników dla termistorów PTC omówione w tym artykule można znaleźć na GitHubie. Jak zawsze, te projekty są otwartoźródłowe, wydane na licencji MIT, co pozwala używać ich z bardzo niewielkimi ograniczeniami.

Możesz znaleźć pełną gamę termistorów PTC oraz dziesiątki tysięcy innych komponentów i czujników w mojej Celestial Altium Library, największej otwartej bibliotece dla Altium Designer®. Możesz również spojrzeć na czujniki termistorów PTC na Octopart, jeśli chcesz zobaczyć zapasy komponentów od dystrybutorów.

W tej serii będziemy przyglądać się szerokiej gamie czujników temperatury, rozmawiać o ich zaletach i wadach oraz typowych implementacjach/topologiach ich wdrożenia. Seria będzie obejmować:

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

Powyżej znajduje się projekt PCB, o którym będziesz czytać w Altium 365 Viewer; darmowy sposób na łączenie się z współpracownikami, klientami i przyjaciółmi z możliwością przeglądania projektu lub pobrania za pomocą jednego kliknięcia! Prześlij swój projekt w ciągu kilku sekund i miej interaktywny sposób na dogłębne przyjrzenie się bez potrzeby korzystania z obszernego oprogramowania czy dużej mocy obliczeniowej komputera.

Termistory o pozytywnym współczynniku temperatury (PTC)

Jak sama nazwa wskazuje, termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym, czyli w skrócie PTC, mają oporność, która wzrasta wraz ze wzrostem ich temperatury - dokładnie odwrotnie niż termistory NTC z poprzedniego artykułu z tej serii. Może to oferować kilka bardzo interesujących zastosowań; na przykład, resetowalne bezpieczniki PTC są powiązane z termistorami PTC. Podczas gdy staramy się ograniczyć prąd przepływający przez urządzenie, aby zredukować samonagrzewanie, bezpiecznik PTC wykorzystuje samonagrzewanie do ograniczenia prądu ze względu na wzrost oporności w miarę wzrostu temperatury.

Termistory NTC są zdecydowanie najpopularniejsze w obwodach elektronicznych. Większość układów scalonych, które mają połączenia dla termistora, będzie wspierać tylko termistor NTC, takie jak obwody ładowania baterii. Co więcej, oporności termistorów NTC przy 25 °C są znacznie wyższe niż te dla odmiany PTC. Najbardziej powszechne termistory NTC to 10k i 100k omów, gdzie PTC to 470 omów i 1k omów. Tolerancje dla czujników termistorów PTC mogą być powszechnie na poziomie 50%, co nie zapewni dokładnego odczytu temperatury bez dokładnej kalibracji. Chociaż zakres tolerancji jest stosunkowo duży, większość kart katalogowych producentów pokazuje, że krzywa odpowiedzi temperaturowej jest zazwyczaj spójna, co oznacza, że urządzenie powinno wymagać tylko początkowej kalibracji przy jednej znanej temperaturze.

Istnieje kilka różnych typów termistorów PTC, jak możemy zobaczyć na drzewie rodzinnym od TI powyżej.

Chociaż termistory PTC zwykle nie są pierwszym wyborem czujników temperatury ze względu na ich potrzebę kalibracji i niską rezystancję, mogą być używane w niektórych obwodach. Miejscem, w którym termistor PTC może być niezwykle użyteczny w twoim obwodzie, są aplikacje, w których chcesz mieć zmniejszony przepływ prądu wraz ze wzrostem temperatury. Może to być bardzo praktyczne dla płytki z diodami LED, które mają rezystory ograniczające prąd i będą wystawione na szeroki zakres temperatur. Używając termistora PTC o wartości 470 Ohm lub 1k Ohm, być może w szeregu z normalnym rezystorem do precyzyjnej regulacji przepływu prądu, możesz ograniczyć moc dostarczaną do diody LED. Wraz ze wzrostem temperatury płytki, dioda LED otrzyma mniej mocy. Ponadto, całkowity prąd zmaleje, więc będzie mniej ciepła Joule'a podczas działania. To zwiększające się ograniczenie w przepływie prądu jest istotne, ponieważ diody LED ulegają awarii głównie z powodu temperatury złącza. Redukując przepływ prądu i rozpraszanie ciepła w diodzie LED przy wysokich temperaturach, możesz znacznie przedłużyć żywotność diody LED. Alternatywnie, jeśli potrzebujesz zwiększyć prąd do jakiegoś innego elementu wraz ze wzrostem temperatury, umieściłbyś termistor PTC równolegle.

W tym projekcie zamierzam użyć dwóch termistorów PTC. Pierwszy to najczęściej magazynowana opcja w obudowie 0402 lub 0603 od Digi-Key, która ma tolerancję 50%. Nie jest ona właściwie przeznaczona do zastosowań w czujnikach temperatury, ale pomyślałem, że będzie interesujące włączyć ją jako przykład komponentu o bardzo niskiej tolerancji. Drugi to termistor PTC o tolerancji 0,5% i rezystancji 1k, który jest przeznaczony do zastosowań w czujnikach temperatury.

Implementacja PTC: Dzielnik napięcia

Implementacja dzielnika napięcia na termistorach PTC jest identyczna z implementacją NTC, o której mowa w poprzednim artykule z tej serii. Termistor 470 Ohm ma tak szeroki zakres tolerancji, że nie uważam, aby warto było dodawać kolejną linię BOM, aby nadać mu inną wartość dla górnego rezystora niż używam dla termistora 1k Ohm.

Ponownie, gdybyś chciał zaimplementować to w swoim projekcie, spojrzałbyś na wykres rezystancji termistora PTC i wybrał odpowiedni rezystor, aby zoptymalizować swoje napięcie wyjściowe dla zakresu, który musisz wykryć.

Z szablonami projektów czujników, które stworzyliśmy w pierwszej części tej serii, tworzenie PCB jest stosunkowo proste. Szablony mają już ukończone 90% trasowania, a my musimy tylko umieścić dwa nowe komponenty. Z odrobiną pracy nad trasowaniem nowego czujnika, karta ewaluacyjna jest gotowa do użycia.

Płytka termistora PTC 1K jest oczywiście prawie identyczna pod względem wyglądu, ale termistor występuje w obudowie 0402, a nie 0603. Jeśli chciałbyś ocenić jakikolwiek inny termistor o rozmiarze 0402 lub 0603, możesz pobrać pliki projektowe tych płyt z repozytorium GitHub i stworzyć własne płytki z własnymi czujnikami termistorowymi.

Implementacja PTC: Dodawanie wtórnika napięcia

Używam bardziej precyzyjnego termistora PTC o tolerancji 0,5% i 1K ohm z wtórnikiem napięcia, ponieważ jest on zaprojektowany do zastosowań w czujnikach temperatury, a opcja 470 ohm, którą testujemy, jest przeznaczona do zastosowań w ograniczaniu prądu. Termistor 470 ohm nie miałby większego sensu do połączenia z obwodem, który zapewniłby dokładniejszy wynik pomiaru, ponieważ jego tolerancja jest tak duża.

Podobnie jak termistory NTC z poprzedniego artykułu z tej serii, to prawdopodobnie da ci dokładniejszy odczyt, ale łączny koszt wzmacniacza buforowego i czujnika może pozwolić na zakup dobrego analogowego czujnika z liniową charakterystyką wyjściową i ścisłą tolerancją. Jest to bardziej demonstracja zdobycia bardziej stabilnego i dokładnego odczytu, jeśli jesteś zmuszony używać termistora PTC w zewnętrznym urządzeniu i nie masz możliwości wyboru czujnika temperatury samodzielnie.

Użycie wtórnika napięciowego może również dać nam trochę dodatkowej precyzji, w zależności od tego, jak zaimplementowano pin mierzący napięcie. Mikrokontroler lub dedykowany przetwornik ADC zwykle będzie miał bardzo wysoką rezystancję do ziemi, ale nadal będzie działał jako równoległy rezystor do naszego dzielnika napięcia. Dodając do obwodu operacyjny wzmacniacz buforowy/wtórnik napięcia, możemy izolować pin mikrokontrolera od dzielnika napięcia.

PCB dla realizacji wtórnika napięciowego podąża za tym samym motywem, co inne płytki z termistorem PTC. Termistor znajduje się po przeciwnej stronie przerwy termicznej niż komponenty niewrażliwe na temperaturę. Zachowując jedynie element czujący w obszarze przerwy termicznej, wszystkie nasze pomiary będą spójne i nie będą zniekształcone przez inne komponenty znajdujące się w pobliżu. Nie spodziewałbym się, aby jakiekolwiek inne komponenty generowały wystarczająco dużo ciepła, by wpłynąć na odczyt temperatury, który ustalisz za pomocą termistora PTC. Jednakże, celem tutaj jest bezpośrednie porównanie czujników z innymi typami komponentów i topologiami, więc zamierzamy je izolować od jakiejkolwiek innej elektroniki.

Inne Opcje: Mostek Wheatstone'a

Most Wheatstone'a to fantastyczne narzędzie do bardzo dokładnego mierzenia drobnych zmian rezystancji. Jednym ze sposobów jest umieszczenie elementu czujnika w jednej z gałęzi mostu i skalibrowanie urządzenia tak, aby napięcie na wyjściu było równe zero. Następnie można by określić zmianę rezystancji termistora PTC, mierząc napięcie na wyjściu mostu. Jednak nie warto tracić czasu na używanie z natury niedokładnego komponentu, takiego jak termistor, jako części takiego precyzyjnego obwodu, ponieważ inne rezystory wymagane do skalibrowania obwodu pomiarowego byłyby różne dla każdej płytki. Kompromis inżynierski nie jest tego wart - jeśli zewnętrzne wymagania zmuszają cię do użycia termistora PTC jako czujnika do pomiarów, prosta metoda dzielnika napięcia pozwoli ci dokładnie zmierzyć temperaturę. Jeśli możesz wybrać własne komponenty do mierzenia temperatury, osiągniesz lepszy wynik jakościowy, używając precyzyjnego układu scalonego do pomiaru temperatury. Precyzyjny układ scalony będzie kosztował mniej niż części potrzebne do mostu Wheatstone'a.

Przetestuj samodzielnie płytki termistora PTC

Te karty testowe czujników są otwartego źródła, sprawdź repozytorium na GitHubie, aby pobrać projekty i użyć ich samodzielnie. Jeśli szukasz możliwości oceny czujników termistorowych z negatywnym współczynnikiem temperatury, pliki projektowe tych płyt zaoszczędzą Ci czasu.

Znajdziesz tam również wszystkie karty czujników, które opracowujemy w ramach tej serii, więc możesz zerknąć, co będzie następne w serii, sprawdzając repozytorium!

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem z Altium.