Датчики температуры: Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)

Это третья часть нашего проекта по тестированию каждого типа датчиков температуры со всеми стандартными реализациями/топологиями. Если вы хотите добавить датчик температуры в свой проект, эта серия охватывает все варианты, покрывая полный диапазон точности и стоимости. В конце серии мы соберем пару базовых плат для всех разработанных нами карт датчиков, что позволит нам тестировать, сравнивать и выделять различия между типами датчиков в полном диапазоне температур и условий. В этом выпуске серии мы погружаемся в изучение датчиков температуры с положительным температурным коэффициентом (PTC) — термисторов.

Во введении к этой серии мы создали шаблон проекта для аналоговых плат датчиков температуры и еще один для цифровых плат. Эти шаблоны и реализации датчиков для PTC термисторов, описанные в этой статье, можно найти на GitHub. Как всегда, эти проекты являются открытыми и выпущены под лицензией MIT, что позволяет использовать их с очень небольшим количеством ограничений.

Вы можете найти полный ассортимент термисторов PTC, а также десятки тысяч других компонентов и датчиков в моей Небесной Библиотеке Altium, самой большой открытой библиотеке для Altium Designer®. Вы также можете посмотреть датчики термисторов PTC на Octopart, если хотите увидеть запасы компонентов у дистрибьюторов.

В этой серии мы собираемся рассмотреть широкий спектр датчиков температуры, говорить о их преимуществах и недостатках, а также о распространенных реализациях/топологиях для их внедрения. В серии будут рассмотрены:

• Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
• Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Детекторы температуры сопротивления (RTD)
• Аналоговые интегральные схемы датчиков температуры
• Цифровые интегральные схемы датчиков температуры
• Термопары

Выше представлен дизайн печатной платы, о котором вы будете читать в Просмотрщике Altium 365; бесплатный способ связаться с коллегами, клиентами и друзьями с возможностью просмотра дизайна или скачивания одним кликом! Загрузите свой дизайн за считанные секунды и получите интерактивную возможность для подробного изучения без необходимости в громоздком программном обеспечении или мощном компьютере.

Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)

Как следует из названия, термисторы с положительным температурным коэффициентом, или сокращенно PTC, обладают сопротивлением, которое увеличивается по мере повышения их температуры - это полная противоположность термисторам NTC из предыдущей статьи этой серии. Это может предложить некоторые очень интересные применения; например, самовосстанавливающиеся предохранители PTC связаны с термисторами PTC. В то время как мы пытаемся ограничить ток через устройство, чтобы уменьшить самонагрев, предохранитель PTC использует самонагрев для ограничения тока из-за увеличения сопротивления по мере повышения температуры.

Термисторы NTC являются самыми популярными в схемах на практике. Большинство интегральных схем, имеющих подключения для термистора, будут поддерживать только термистор NTC, например, схемы зарядных устройств. Кроме того, сопротивления термисторов NTC при 25 °C значительно выше, чем у термисторов типа PTC. Самые распространенные термисторы NTC имеют сопротивление 10k и 100k ом, в то время как у PTC - 470 ом и 1k ом. Допуски для датчиков термисторов PTC могут быть обычно 50%, что не обеспечит точного считывания температуры без точной калибровки. Хотя диапазон допусков относительно велик, большинство технических листов производителей показывают, что кривая температурной реакции обычно последовательна, что означает, что устройству потребуется только первоначальная калибровка при одной известной температуре.

Существует несколько различных типов термисторов PTC, как мы можем видеть на семейном древе от TI выше.

Хотя термисторы PTC обычно не являются первым выбором датчиков температуры из-за необходимости в калибровке и низкого сопротивления, они могут использоваться в определенных схемах. Термистор PTC может быть невероятно полезен в вашей схеме для приложений, где вы хотите снизить ток при увеличении температуры. Это может быть очень практично для платы с светодиодами, имеющими резисторы ограничения тока и подвергающимися воздействию широкого диапазона температур. Используя термистор PTC на 470 Ом или 1 кОм, возможно, последовательно с обычным резистором для точной настройки тока, вы можете ограничить мощность на светодиоде. По мере повышения температуры платы светодиод будет получать меньше мощности. Кроме того, общий ток уменьшится, так что во время работы будет меньше джоулева нагрева. Это увеличение ограничения тока важно, потому что основной причиной выхода из строя светодиодов является температура перехода. Снижая ток и тепловыделение в светодиоде при высоких температурах, вы можете значительно увеличить срок службы светодиода. В качестве альтернативы, если вам нужно увеличить ток на какой-либо другой элемент при повышении температуры, вы должны поставить термистор PTC параллельно.

Для этого проекта я собираюсь включить два термистора PTC. Первый - это наиболее распространенный вариант в упаковке 0402 или 0603 от Digi-Key с допуском 50%. Он на самом деле не предназначен для приложений сенсорного измерения температуры, но мне показалось интересным включить его в качестве примера компонента с очень низким допуском. Второй - это термистор PTC с допуском 0,5% и сопротивлением 1 кОм, который предназначен для приложений сенсорного измерения температуры.

Реализация PTC: Делитель напряжения

Реализация делителя напряжения на термисторах PTC идентична реализации на NTC, описанной в предыдущей статье этой серии. Термистор на 470 Ом имеет настолько широкий диапазон допусков, что, на мой взгляд, нет смысла добавлять еще одну строку в BOM для того, чтобы задать ему другое значение верхнего резистора, отличное от используемого для термистора на 1к Ом.

Если бы вы хотели реализовать это в своем проекте, вам бы следовало посмотреть на график сопротивления термистора PTC и выбрать подходящий резистор, чтобы оптимизировать выходное напряжение для необходимого вам диапазона измерения.

С шаблонами проектов датчиков, которые мы создали в первой части этой серии, создание печатной платы является относительно простой задачей. Шаблоны содержат 90% уже выполненной трассировки, и нам всего лишь нужно разместить два новых компонента. С небольшим количеством работы по трассировке нового датчика, карта оценки готова к использованию.

Плата с термистором 1K PTC, конечно, почти идентична по внешнему виду, но термистор установлен в корпусе 0402, а не 0603. Если вы хотели бы оценить любой другой термистор размером 0402 или 0603, вы можете взять проектные файлы этих плат из репозитория на GitHub и сделать свои собственные платы с вашими термисторами.

Реализация PTC: Добавление повторителя напряжения

Я использую более точный термистор PTC с допуском 0,5% на 1K ом с повторителем напряжения, так как он предназначен для приложений измерения температуры, а вариант на 470 ом, который мы тестируем, предназначен для приложений ограничения тока. Термистор на 470 ом не имело бы смысла подключать к схеме, которая обеспечивала бы более точное измерение, так как его допуск слишком велик.

Так же, как и термисторы NTC из предыдущей статьи этой серии, это, вероятно, даст вам более точные показания, но совокупная стоимость буферного усилителя и датчика может позволить вам купить хороший аналоговый датчик с линейным выходом и строгими допусками. Это скорее демонстрация того, как получить более стабильные и точные показания, если вам приходится использовать термистор PTC во внешнем устройстве и у вас нет возможности самостоятельно выбрать датчик температуры.

Использование повторителя напряжения также может дать нам немного дополнительной точности в зависимости от того, как реализован вывод, измеряющий напряжение. Микроконтроллер или специализированный АЦП обычно имеют очень высокое сопротивление к земле, но все равно будут действовать как параллельный резистор к нашему делителю напряжения. Добавив в схему буферный усилитель/повторитель напряжения, мы можем изолировать вывод микроконтроллера от делителя напряжения.

Печатная плата для реализации повторителя напряжения следует той же концепции, что и другие платы с термисторами PTC. Термистор находится на противоположной стороне теплового разрыва по сравнению с нечувствительными к температуре компонентами. Размещая только чувствительный элемент внутри зоны теплового разрыва, мы обеспечиваем согласованность всех измерений и исключаем влияние на них других компонентов, находящихся поблизости. Я бы не ожидал, что любой из других компонентов выделяет достаточно тепла, чтобы повлиять на температурные показания, получаемые от термистора PTC. Однако здесь наша цель - сравнить датчики напрямую с другими типами компонентов и топологиями, поэтому мы собираемся изолировать их от любой другой схемы.

Другие варианты: Мост Уитстона

Мост Уитстона является отличным инструментом для очень точного измерения малых изменений сопротивления. Один из способов сделать это - разместить датчик в одной из ветвей моста и откалибровать устройство так, чтобы напряжение на выходе было равно нулю. Затем можно определить изменение сопротивления термистора PTC, измерив напряжение на выходе моста. Однако не стоит тратить время на использование по сути неточного компонента, такого как термистор, в такой точной схеме, потому что другие резисторы, необходимые для калибровки измерительной цепи, будут отличаться от платы к плате. Инженерный компромисс не оправдан - если вам приходится использовать термистор PTC в качестве датчика для измерений из-за внешних требований, простой метод делителя напряжения позволит вам достаточно точно измерить температуру. Если вы можете выбирать собственные компоненты для измерения температуры, вы добьетесь более высокого качества результата, используя точную интегральную схему для измерения температуры. Точная интегральная схема будет стоить дешевле, чем компоненты, необходимые для моста Уитстона.

Проверьте платы с термистором PTC самостоятельно

Эти тестовые карты датчиков являются открытыми, проверьте репозиторий на GitHub, чтобы скачать дизайны и использовать их самостоятельно. Если вы хотите оценить датчики с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, файлы проектов для этих плат сэкономят вам время.

Вы также найдете все карты датчиков, которые мы разрабатываем в рамках этой серии, в том же репозитории GitHub, так что вы можете увидеть предварительный просмотр того, что будет дальше в серии, проверив репозиторий!

Хотели бы вы узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.