Termistores NTC em PCBs como Sensores de Temperatura

Na introdução desta série, começamos a trabalhar testando todos os diferentes tipos de temperatura disponíveis, construindo um conjunto de modelos de projeto: um para sensores analógicos e outro para sensores digitais. Você pode encontrar esses modelos e as implementações dos sensores para estes termistores NTC no GitHub. Como sempre, esses projetos são de código aberto, liberados sob a licença MIT, permitindo que você os use com muito poucas restrições. 

Neste artigo, começaremos com nosso primeiro tipo de sensor de temperatura, o termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC). Os termistores NTC são provavelmente a classe de sensor de temperatura mais usada, pois são baratos, fáceis de usar e, apesar de não serem incrivelmente precisos, são precisos o suficiente para a maioria das aplicações.

Se você está procurando comprar termistores NTC, visite a Octopart e veja o que está em estoque com seu distribuidor favorito. Você também pode encontrar uma gama completa de termistores NTC, e muitas dezenas de milhares de outros componentes e sensores, na minha Biblioteca Celestial Altium, a maior biblioteca de código aberto para Altium Designer®.

Nesta série, vamos dar uma olhada em uma ampla gama de sensores de temperatura, falando sobre suas vantagens e desvantagens, bem como implementações/topologias comuns para sua implementação. A série cobrirá:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detector de Temperatura de Resistência (RTD)
• Sensores de Temperatura Analógicos em CI
• Sensores de Temperatura Digitais em CI
• Termopares

Detecção com Termistores

Apesar do que acabei de dizer sobre os termistores não serem particularmente precisos, eles são amplamente utilizados. A maioria das aplicações não precisa de mais do que alguns graus Celsius de precisão na temperatura. Ao construir proteção térmica básica ou compensação térmica, termistores PTC ou NTC são suficientemente bons. A maioria das impressoras 3D usa termistores para suas camas aquecidas e extrusoras, e é por isso que você precisa calibrar as configurações de temperatura do filamento para cada impressora. Para mim, imprimindo o mesmo material com três extrusoras diferentes, tenho três temperaturas em um intervalo de quase 10 °C. Sensores de temperatura PTC ou NTC são muito baratos de usar, o que é fantástico para dispositivos de baixo custo, especialmente onde você pode calibrar o sensor em um circuito no momento da fabricação, ou o usuário pode.

O custo dos termistores é compensado pelo esforço extra de engenharia para obter uma medição de temperatura precisa, especialmente em uma ampla faixa de temperaturas. Isso os torna muito bons para aplicações de proteção onde uma ideia geral da temperatura é aceitável. A maioria dos pacotes de baterias de íon de lítio implementará um termistor NTC de 10k para interromper a carga se as células estiverem ficando muito quentes, a fim de prevenir uma falha catastrófica.

Termistores de Coeficiente Negativo de Temperatura (NTC)

Um Termistor NTC é um resistor no qual a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Isso permite que métodos típicos de medição de resistência em um circuito calculem a temperatura do resistor. Infelizmente, a mudança de temperatura é não linear, o que significa que você não pode medir diretamente a mudança de temperatura pela mudança na resistência. Muitos fabricantes fornecerão uma curva de resistência-temperatura e talvez até mesmo uma fórmula para calcular a temperatura a partir da resistência, o que significa que um microcontrolador pode ser usado para obter uma medição razoavelmente precisa. Suponha que o fabricante não forneça essas informações. Nesse caso, você pode usar um sensor de temperatura preciso ou uma câmara ambiental para medir o sensor em pontos específicos definidos para determinar a fórmula por conta própria.

Neste projeto, vamos analisar dois termistores NTC diferentes e várias implementações para eles. Esses são termistores de tolerância apertada, mas ainda assim não são excessivamente caros em comparação com outros termistores de menor tolerância.

Ambos são componentes de montagem em superfície; no entanto, componentes de furo passante estão prontamente disponíveis. Uma aplicação comum dos componentes de furo passante é soldá-los no final de um par de fios para detecção remota. Se você quiser testar um termistor em um fio sem gastar muito dinheiro, procure por sensores de temperatura de impressoras 3D, eles normalmente serão um termistor de 10K. No entanto, algumas impressoras usam termistores de 100K.

A faixa de temperatura de detecção dos termistores é uma vantagem sobre alguns dos sensores que veremos mais tarde. A faixa de detecção cobriu a faixa operacional completa do sensor, permitindo que ele seja usado em uma grande variedade de aplicações. Como os termistores são tão simples, você também pode usá-los bem além dessas faixas classificadas, desde que sua solda não se transforme em um estado líquido, ou a contração térmica não danifique o dispositivo.

A principal diferença entre os dois sensores, além do tamanho da embalagem, é a resistência a 25 °C - temos um termistor NTC de 100k e 10k, que são os valores mais comumente usados. 

As folhas de dados desses dois sensores parecem bastante lineares até você perceber que o eixo da resistência é logarítmico. Em uma escala linear, como o gráfico abaixo, podemos ver que a resistência está longe de ser linear quando lida diretamente.

Podemos colocar um resistor que corresponda à resistência do termistor no centro da faixa de temperatura de interesse em paralelo com o termistor para tornar uma pequena seção da curva mais linear. Isso pode facilitar o cálculo e a calibração dentro da região de temperatura linear. Suponha que você tenha a capacidade de medir o perfil completo de um termistor para calcular os valores para a fórmula do termistor, ou o fabricante é gentil o suficiente para fornecê-los na folha de dados. Nesse caso, você pode economizar um resistor e ainda ter uma medição precisa em toda a faixa.

Implementação de Termistor NTC: Divisor de Tensão

A maneira mais direta de medirmos a temperatura é com um divisor de tensão. Você pode usar o termistor como a perna superior ou inferior do divisor de potencial. Se você usar o termistor como a “perna superior” do divisor de potencial, a tensão aumentará à medida que a temperatura aumenta. Se usar um termistor como a perna inferior do divisor de tensão, então a tensão diminuirá à medida que a temperatura aumenta.

Ambos os métodos são válidos. No entanto, eu sugeriria tentar reduzir a corrente através do divisor para evitar o autoaquecimento do termistor. Dependendo do valor do seu termistor NTC e dos requisitos, você pode ser capaz de otimizar a implementação alterando a topologia.

Para a minha implementação, estou usando um divisor simples que não é otimizado para nenhuma faixa de temperatura específica, usando um divisor superior que corresponde à resistência do termistor a 25 °C. A 25 °C, devemos esperar metade da tensão de entrada. Suponha que você esteja construindo um sensor de temperatura dessa maneira. Nesse caso, você deve ter um entendimento da faixa de temperatura com a qual está trabalhando e otimizar a resistência e a topologia para fornecer a maior faixa possível de tensão para poder medir a temperatura com mais precisão.

Observe que, à medida que a temperatura aumenta, a resistência do termistor NTC diminuirá. Isso significa que a maior parte da potência será dissipada no resistor de referência, já que ele tem a maior queda de tensão. Isso também ajuda a prevenir o autoaquecimento e é uma boa estratégia se quisermos medir temperaturas acima do ambiente.

Layout da PCB

Para criar a PCB, vamos usar o template do projeto do Cartão Sensor de Temperatura que criamos no artigo anterior da série. O template também está disponível no GitHub se você quiser usá-lo para seus próprios sensores.

Uma coisa que você pode notar é que os nomes das placas são os mesmos que estão no template do projeto. Isso não vai facilitar a gestão de potencialmente dezenas dessas placas se todas vão ter os mesmos nomes de esquemático e arquivo de PCB!

Eu perguntei ao meu amigo Davide Bortolami se ele tinha uma maneira de renomear arquivos em um projeto Altium, já que minha prática era remover o arquivo do projeto - renomeá-lo, e então adicioná-lo de volta ao projeto novamente. Meu método era bem rudimentar, então Davide imediatamente sugeriu o Gerenciador de Armazenamento para renomear os arquivos. Você pode encontrar o gerenciador de armazenamento sob o botão de painéis no canto inferior direito do Altium.

O gerenciador de armazenamento funciona muito bem mesmo que seu projeto atual não esteja em um repositório de controle de versão. Tudo o que precisamos fazer é clicar com o botão direito no esquemático ou PCB e clicar em Renomear (ou pressionar F2).

Esta é uma solução muito mais elegante do que o método que eu normalmente teria usado.

Em seguida, adicionamos uma das implementações acima à folha de esquemático. A única alteração necessária nas seções modeladas do esquemático é conectar a saída analógica do sensor ao conector de borda do cartão.

Como esses esquemáticos são de extremidade única e não diferencial, podemos conectar o lado negativo do par ao terra, com o lado positivo recebendo a saída do divisor de tensão conectado a ele. Então, tudo o que precisamos fazer é atualizar a placa para adicionar os novos componentes.

Enquanto trabalho na placa, também estou preenchendo a tabela de canais analógicos que colocamos no modelo para identificar qual canal o cartão de sensor específico está usando. Isso deve reduzir a chance de adicionar dois sensores que usam o mesmo canal a uma única pilha.

As placas para estes são, claro, incrivelmente simples, com apenas dois componentes adicionados por placa. Eu poderia ter colocado ambos os sensores na mesma placa, mas quero manter um sensor por placa. Mantendo cada implementação de sensor isolada em sua própria placa de circuito, nenhum sensor influenciará os resultados de outro por compartilharem uma placa.

A placa do termistor NTC de 100k é essencialmente idêntica às outras, exceto pelos componentes do resistor e do termistor. O modelo do projeto facilita muito o trabalho de criar uma série de placas de circuito muito semelhantes.

Implementação de NTC: Adicionando um Resistor em Paralelo

Como mencionado anteriormente, podemos adicionar um resistor em paralelo ao termistor NTC em nosso divisor de tensão. Isso ajudará a linearizar uma seção do divisor de tensão. Ter uma saída linear para a faixa de temperatura de interesse pode ser útil se você não puder executar um algoritmo nos dados coletados para converter o valor em uma temperatura precisa. Também pode ser útil se você não tiver as instalações para coletar precisamente os dados necessários para determinar os valores para o algoritmo. A seção linear da faixa de temperatura precisará de uma leitura de tensão, que pode ser interpretada como temperatura diferencial diretamente.

Para esta implementação, estou simplesmente adicionando um resistor em paralelo que linearizará o termistor em torno de 25 °C. Sua implementação deve corresponder à resistência do termistor NTC no ponto central da faixa de temperatura que você está tentando medir.

Coloquei os dois resistores de 10K 0603 juntos para esta implementação, pois não espero que haja qualquer diferença mensurável na posição física do resistor paralelo em relação ao termistor. Se tivéssemos instrumentação suficientemente precisa, poderíamos provavelmente sentir algum calor do resistor paralelo aquecendo o termistor se estivessem próximos. No entanto, seria uma quantidade tão insignificante que não faria diferença para qualquer aplicação no mundo real.

Implementação NTC: Adicionando um Seguidor de Tensão

Para melhorar a estabilidade do circuito, também podemos usar um op-amp como seguidor de tensão. Isso também pode nos dar um pouco mais de precisão, dependendo de como o pino que está medindo a tensão é implementado. Um microcontrolador ou ADC dedicado terá alguma resistência ao terra, que é tipicamente muito alta, mas ainda assim atuará como um resistor paralelo ao nosso divisor de tensão. Ao usar um buffer/seguidor de tensão op-amp, podemos isolar o pino do microcontrolador do divisor de tensão.

Estou usando um amplificador de buffer de baixo custo para este circuito. Um amplificador de instrumentação teria um custo similar. Vale ressaltar que alguns dos sensores analógicos e digitais que examinamos mais adiante na série custam menos que apenas o amplificador de buffer e têm maior precisão e linearidade do que um termistor PTC ou NTC. Então, embora este circuito deva fornecer uma leitura mais precisa, provavelmente não faria muito sentido em uma implementação de dispositivo real, a menos que você esteja lendo um termistor de um dispositivo/máquina externo onde você não pode mudar o elemento de detecção.

Você também poderia usar um amplificador operacional de propósito geral para isso, com um custo reduzido. Amplificadores de buffer têm um ganho de um, então não é necessário uma conexão de feedback - e mais importante, têm uma impedância de entrada e saída excepcionalmente alta. Esta alta impedância, comparada a um amplificador operacional regular, oferece maior precisão ao ler um divisor de tensão como este. Dito isso, um amp de buffer como este é um exagero massivo para um termistor NTC, já que é mais do que capaz de lidar com sinais de GHz.

A PCB para a implementação do seguidor de tensão segue o mesmo estilo geral dos outros, com o amplificador de buffer e o resistor divisor no lado oposto da quebra térmica. Novamente, eu não esperaria que houvesse qualquer calor mensurável do amplificador de buffer sendo conduzido ao termistor se eles fossem colocados juntos. Este design continua com o tema de manter apenas o elemento sensor dentro da área da quebra térmica, para que todas as nossas medições sejam consistentes e não sejam influenciadas por outros componentes próximos.

Outras Opções: Ponte de Wheatstone

Você também poderia usar uma ponte de Wheatstone para uma medição ainda mais precisa do termistor. No entanto, eu não vou implementá-la para um termistor NTC nesta série. No artigo sobre Detector de Temperatura por Resistência (RTD), você encontrará mais informações sobre a implementação de uma ponte de Wheatstone. Embora um termistor implementado corretamente e usado com a fórmula correta possa ser bastante preciso, usar uma ponte de Wheatstone em um sensor relativamente impreciso não vale o tempo de implementação e o custo. Os resultados das aplicações simples acima vão permitir que você obtenha o máximo de um termistor NTC como sensor de temperatura.

Teste Você Mesmo as Placas de Termistor NTC

Esses cartões de teste de sensores são de código aberto, confira o repositório no GitHub para baixar os designs e usá-los você mesmo. Se você está procurando avaliar alguns termistores NTC, os arquivos do projeto dessas placas vão economizar seu tempo. Você também encontrará todos os cartões de sensores que desenvolvemos durante esta série no mesmo repositório do GitHub, então você pode conseguir uma prévia do que virá a seguir na série ao verificar o repositório!

Gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Ainda está se perguntando o que é um termistor NTC? Fale com um especialista na Altium.