Sensores de Temperatura: Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)

Esta é a parte 3 do nosso projeto para testar todos os tipos de sensores de temperatura com todas as implementações/topologias padrão. Se você quer adicionar um sensor de temperatura ao seu projeto, esta série tem tudo o que você precisa, cobrindo todas as opções em termos de precisão e custo. Ao final da série, estaremos construindo um par de placas hospedeiras para todos os cartões de sensores que desenvolvemos, o que nos permitirá testar, comparar e contrastar os diferentes tipos de sensores em uma ampla gama de temperaturas e condições. Nesta parcela da série, estamos mergulhando nos sensores de Termistor de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC).

Na introdução desta série, construímos um template de projeto para as placas de sensores de temperatura analógicos, e outro para as placas digitais. Você pode encontrar esses templates e as implementações dos sensores para os termistores PTC abordados neste artigo no GitHub. Como sempre, esses projetos são de código aberto, liberados sob a licença MIT, permitindo que você os use com muito poucas restrições.

Você pode encontrar uma gama completa de termistores PTC, e dezenas de milhares de outros componentes e sensores na minha Biblioteca Celestial Altium, a maior biblioteca de código aberto para Altium Designer®. Você também pode olhar para sensores termistores PTC no Octopart se quiser ver os estoques de componentes dos distribuidores.

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

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detetores de Temperatura de Resistência (RTD)
• ICs de Sensor de Temperatura Analógico
• ICs de Sensor de Temperatura Digital
• Termopares

Acima está o design de PCB sobre o qual você estará lendo no Visualizador Altium 365; uma maneira gratuita de se conectar com seus colegas de trabalho, clientes e amigos com a capacidade de visualizar o design ou baixar com um único clique de um botão! Faça o upload do seu design em questão de segundos e tenha uma maneira interativa de dar uma olhada aprofundada sem nenhum software pesado ou poder de computador.

Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)

Como o nome sugere, termistores com coeficiente de temperatura positivo, ou PTCs, têm uma resistência que aumenta à medida que sua temperatura sobe - o oposto exato dos termistores NTC do artigo anterior desta série. Isso pode oferecer algumas aplicações muito interessantes; por exemplo, fusíveis rearmáveis PTC estão relacionados aos termistores PTC. Enquanto estamos tentando limitar a corrente através de um dispositivo para reduzir o autoaquecimento, um fusível PTC utiliza o autoaquecimento para limitar a corrente devido ao aumento da resistência conforme a temperatura aumenta.

Os termistores NTC são de longe os mais populares em circuitos no mundo real. A maioria dos circuitos integrados que têm conexões para um termistor só suportará um termistor NTC, como os circuitos de carregadores de bateria. Além disso, as resistências dos termistores NTC a 25 °C são significativamente maiores do que as da variedade PTC. Os termistores NTC mais comuns são de 10k e 100k ohms, enquanto os PTC são de 470 ohms e 1k ohms. As tolerâncias para sensores termistores PTC podem comumente ser de 50%, o que não fornecerá uma leitura de temperatura precisa sem uma calibração precisa. Embora a faixa de tolerância seja relativamente grande, a maioria das folhas de dados dos fabricantes mostra que a curva de resposta de temperatura é tipicamente consistente, o que significa que o dispositivo deve precisar apenas de uma calibração inicial em uma única temperatura conhecida.

Existem vários tipos diferentes de termistor PTC, como podemos ver na árvore genealógica da TI acima.

Embora os termistores PTC geralmente não sejam a primeira escolha de sensores de temperatura devido à necessidade de calibração e baixa resistência, eles podem ser usados em certos circuitos. Onde um termistor PTC pode ser incrivelmente útil no seu circuito é para aplicações onde você deseja ter um fluxo de corrente reduzido à medida que a temperatura aumenta. Isso pode ser muito prático para uma placa com LEDs que possuem resistores limitadores de corrente e serão expostos a uma ampla gama de temperaturas. Ao usar um termistor PTC de 470 Ohms ou 1k Ohms, talvez em série com um resistor normal para ajuste fino do fluxo de corrente, você pode limitar a potência de um LED. À medida que a temperatura da placa aumenta, o LED receberá menos energia. Além disso, a corrente total diminuirá, então haverá menos aquecimento por efeito Joule durante a operação. Essa restrição crescente na corrente é essencial porque os LEDs falham principalmente devido à temperatura da junção. Ao reduzir o fluxo de corrente e a dissipação de calor no LED em altas temperaturas, você pode prolongar significativamente a expectativa de vida do LED. Alternativamente, se você precisar aumentar a corrente para algum outro elemento à medida que a temperatura aumenta, você colocaria o termistor PTC em paralelo.

Para este projeto, vou incluir dois termistores PTC. O primeiro é a opção mais disponível em pacotes 0402 ou 0603 da Digi-Key e tem uma tolerância de 50%. Ele não é realmente destinado para aplicações de detecção de temperatura, mas achei que seria interessante incluí-lo como um exemplo de um componente de tolerância muito baixa. O segundo é um termistor PTC de 1k com tolerância de 0.5%, que é destinado para aplicações de detecção de temperatura.

Implementação PTC: Divisor de Tensão

A implementação para o divisor de tensão nos termistores PTC é idêntica à implementação NTC em o artigo anterior desta série. O termistor de 470 Ohm tem uma faixa de tolerância tão ampla que não acho que valha a pena adicionar outra linha no BOM para dar a ele um valor diferente para o resistor superior do que estou usando para o termistor de 1k Ohm.

Mais uma vez, se você fosse implementar isso em seu próprio projeto, você olharia para o gráfico de resistência do termistor PTC e escolheria um resistor apropriado para otimizar sua tensão de saída para a faixa que precisa detectar.

Com os modelos de projeto de sensor que criamos na primeira parte desta série, criar a PCB é relativamente trivial. Os modelos têm 90% do roteamento já concluído, e nós apenas precisamos posicionar os dois novos componentes. Com um pouco de trabalho no roteamento do novo sensor, o cartão de avaliação está pronto para uso.

A placa do termistor PTC de 1K é, claro, quase idêntica na aparência, mas o termistor vem em uma embalagem 0402 em vez de 0603. Se você quisesse avaliar qualquer outro termistor de tamanho 0402 ou 0603, poderia pegar os arquivos do projeto para essas placas do repositório GitHub e fazer suas próprias placas com seus próprios sensores de termistor.

Implementação PTC: Adicionando Seguidor de Tensão

Estou usando o termistor PTC de 1K ohm com tolerância mais precisa de 0,5% com o seguidor de tensão, pois é projetado para aplicações de sensoriamento de temperatura, e a opção de 470 ohm que estamos testando é destinada a aplicações de limitação de corrente. O termistor de 470 ohm não faria muito sentido ser conectado a um circuito que fornecerá um resultado de sensoriamento mais preciso, já que sua tolerância é tão grande.

Assim como os termistores NTC do artigo anterior desta série, isso provavelmente lhe dará uma leitura mais precisa, mas o custo combinado de um amplificador de buffer e o sensor poderia comprar um bom sensor analógico com saída linear e tolerância apertada. Isso é mais uma demonstração para obter uma leitura mais estável e precisa se você for obrigado a usar um termistor PTC em um dispositivo externo e não tiver a capacidade de escolher um sensor de temperatura por conta própria.

Usar um seguidor de tensão 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 normalmente terá uma resistência muito alta para o terra, mas ainda assim atuará como um resistor paralelo ao nosso divisor de tensão. Ao adicionar um amplificador operacional buffer/seguidor de tensão ao circuito, podemos isolar o pino do microcontrolador do divisor de tensão.

A PCB para a implementação do seguidor de tensão segue o mesmo tema das outras placas de termistor PTC. O termistor está no lado oposto da quebra térmica em relação aos componentes não-sensores. Ao manter apenas o elemento sensor dentro da área da quebra térmica, todas as nossas medições serão consistentes e não serão influenciadas por outros componentes próximos. Eu não esperaria que qualquer um dos outros componentes gerasse calor suficiente para influenciar a leitura de temperatura que você determina a partir do termistor PTC. No entanto, o objetivo aqui é comparar os sensores diretamente contra outros tipos de componentes e topologias, então vamos mantê-los isolados de qualquer outro circuito.

Outras Opções: Ponte de Wheatstone

Uma Ponte de Wheatstone é uma ferramenta fantástica para medir mudanças mínimas na resistência com muita precisão. Uma maneira de fazer isso é colocar o elemento sensor em uma das pernas da ponte e calibrar o dispositivo de forma que a tensão através da saída seja zero. Você poderia então determinar a mudança de resistência de um termistor PTC medindo a tensão através da saída da ponte. No entanto, não vale a pena usar um componente inerentemente impreciso, como um termistor, como parte de um circuito de precisão porque os outros resistores necessários para calibrar o circuito de medição seriam diferentes de placa para placa. O compromisso de engenharia não vale a pena - se você for obrigado a usar um termistor PTC como sensor de medição devido a requisitos externos, o simples método do divisor de tensão permitirá que você meça a temperatura com precisão suficiente. Se você puder escolher seus próprios componentes para medir a temperatura, alcançará um resultado de maior qualidade usando um circuito integrado de precisão para detecção de temperatura. O circuito integrado de precisão custará menos do que as peças necessárias para uma Ponte de Wheatstone.

Teste Você Mesmo as Placas de Termistor PTC

Esses cartões de teste de sensor são de código aberto, confira o repositório no GitHub para baixar os projetos e usá-los você mesmo. Se você está procurando avaliar alguns sensores termistores de coeficiente de temperatura negativo, os arquivos do projeto para essas placas vão economizar seu tempo.

Você também encontrará todos os cartões de sensor 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!

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