Cảm biến nhiệt độ Thermistor PCB NTC

Trong phần giới thiệu của loạt bài này, chúng tôi đã bắt đầu thực hiện việc kiểm tra tất cả các loại nhiệt độ khác nhau bằng cách xây dựng một bộ mẫu dự án: một cho cảm biến tương tự và một cho cảm biến số. Bạn có thể tìm thấy những mẫu này và các triển khai cảm biến cho các thermistor NTC trên GitHub. Như mọi khi, những dự án này là mã nguồn mở, được phát hành dưới giấy phép MIT cho phép bạn sử dụng chúng với rất ít hạn chế. 

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ bắt đầu với loại cảm biến nhiệt độ đầu tiên, thermistor hệ số nhiệt độ âm (NTC). Thermistor NTC có lẽ là loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng phổ biến nhất vì chúng rẻ, dễ sử dụng và mặc dù không cực kỳ chính xác nhưng đủ chính xác cho hầu hết các ứng dụng.

Nếu bạn đang tìm kiếm mua thermistor NTC, hãy truy cập Octopart và xem những gì có sẵn từ nhà phân phối yêu thích của bạn. Bạn cũng có thể tìm thấy một loạt đầy đủ các thermistor NTC, và hàng chục nghìn linh kiện và cảm biến khác, trong Thư viện Celestial Altium của tôi, thư viện mã nguồn mở lớn nhất dành cho Altium Designer®.

Trong loạt bài này, chúng ta sẽ xem xét một loạt các loại cảm biến nhiệt độ, nói về ưu và nhược điểm của chúng cũng như các ứng dụng/topologies phổ biến cho việc triển khai chúng. Loạt bài sẽ bao gồm:

• Cảm biến nhiệt độ loại Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors
• Cảm biến nhiệt độ loại Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors
• Cảm biến nhiệt độ loại Resistance Temperature Detectors (RTD)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ Analog
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ Digital
• Thermocouples

Sử dụng Thermistors để cảm nhận

Mặc dù tôi vừa nói rằng thermistors không đặc biệt chính xác, chúng được sử dụng rộng rãi. Hầu hết các ứng dụng không cần độ chính xác nhiệt độ hơn vài độ Celsius. Khi xây dựng bảo vệ nhiệt cơ bản hoặc bù nhiệt, PTC hoặc NTC thermistors là đủ tốt. Hầu hết các máy in 3D sử dụng thermistors cho bàn nóng và đầu nóng của chúng, đó là lý do bạn cần phải hiệu chỉnh cài đặt nhiệt độ của sợi cho mỗi máy in. Đối với tôi, in cùng một vật liệu với ba đầu nóng khác nhau, tôi có ba nhiệt độ trải qua gần như 10 °C. Cảm biến nhiệt độ PTC hoặc NTC rất rẻ để sử dụng, điều này tuyệt vời cho các thiết bị giá thấp, đặc biệt là khi bạn có thể hiệu chỉnh cảm biến trong mạch tại thời điểm sản xuất, hoặc người dùng có thể.

Chi phí của các thermistor được bù đắp bởi nỗ lực kỹ thuật bổ sung để có được phép đo nhiệt độ chính xác, đặc biệt là trên một phạm vi nhiệt độ rộng. Điều này làm cho chúng rất tốt cho các ứng dụng bảo vệ nơi mà việc có một ý tưởng chung về nhiệt độ là chấp nhận được. Hầu hết các gói pin lithium-ion sẽ sử dụng một thermistor NTC 10k để ngắt sạc nếu các cell đang nóng lên quá mức nhằm ngăn chặn một sự cố thảm khốc.

Thermistor Hệ Số Nhiệt Độ Âm (NTC)

Một Thermistor NTC là một điện trở trong đó điện trở giảm khi nhiệt độ tăng lên. Điều này cho phép các phương pháp đo điện trở thông thường trong mạch để tính toán nhiệt độ của điện trở. Thật không may, sự thay đổi nhiệt độ là không tuyến tính, điều này có nghĩa là bạn không thể đo trực tiếp sự thay đổi nhiệt độ qua sự thay đổi trong điện trở. Nhiều nhà sản xuất sẽ cung cấp một đường cong nhiệt độ-điện trở và có thể thậm chí là một công thức để tính toán nhiệt độ từ điện trở, điều này có nghĩa là một vi điều khiển có thể được sử dụng để có được một phép đo chính xác hợp lý. Giả sử nhà sản xuất không cung cấp thông tin này. Trong trường hợp đó, bạn có thể sử dụng một cảm biến nhiệt độ chính xác hoặc phòng thí nghiệm môi trường để đo cảm biến tại các điểm cố định nhất định để xác định công thức cho riêng bạn.

Trong dự án này, chúng ta sẽ xem xét hai loại NTC thermistor khác nhau và một số cách thực hiện cho chúng. Đây là các thermistor có độ chính xác cao, nhưng giá của chúng vẫn không quá cao so với các thermistor có độ chính xác thấp hơn.

Cả hai đều là linh kiện gắn mặt; tuy nhiên, linh kiện gắn lỗ cũng dễ tìm. Một ứng dụng phổ biến của linh kiện gắn lỗ là hàn chúng vào đầu một cặp dây để cảm biến từ xa. Nếu bạn muốn thử nghiệm một thermistor trên dây mà không muốn chi nhiều tiền, hãy tìm kiếm cảm biến nhiệt độ máy in 3D, chúng thường là thermistor 10K. Tuy nhiên, một số máy in sử dụng thermistor 100K thay vì vậy.

Phạm vi nhiệt độ cảm biến của thermistor là một lợi thế so với một số cảm biến mà chúng ta sẽ xem xét sau. Phạm vi cảm biến bao gồm toàn bộ phạm vi hoạt động của cảm biến, cho phép nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Vì thermistor rất đơn giản, bạn cũng có thể sử dụng chúng vượt qua các phạm vi được đánh giá này miễn là hàn của bạn không chuyển thành trạng thái nóng chảy, hoặc co rút nhiệt không làm hỏng thiết bị.

Sự khác biệt chính giữa hai cảm biến, ngoài kích thước gói, là điện trở tại 25 °C - chúng ta có một thermistor NTC 100k và 10k, đây là các giá trị thường được sử dụng nhất. 

Bảng dữ liệu cho hai cảm biến này trông khá tuyến tính cho đến khi bạn nhận ra rằng trục điện trở là logarit. Trên một tỉ lệ tuyến tính, như đồ thị dưới đây, chúng ta có thể thấy rằng điện trở xa rời tuyến tính khi đọc trực tiếp.

Chúng ta có thể đặt một điện trở phù hợp với điện trở của thermistor ở trung tâm của phạm vi nhiệt độ quan tâm song song với thermistor để làm cho một phần nhỏ của đường cong trở nên tuyến tính hơn. Điều này có thể tạo điều kiện cho việc tính toán và hiệu chuẩn dễ dàng hơn trong khu vực nhiệt độ tuyến tính. Giả sử bạn có khả năng đo toàn bộ hồ sơ của thermistor để tính toán các giá trị cho công thức thermistor, hoặc nhà sản xuất tử tế cung cấp chúng trong bảng dữ liệu. Trong trường hợp đó, bạn có thể tiết kiệm một điện trở và vẫn có một phép đo chính xác trên toàn bộ phạm vi.

Triển khai Thermistor NTC: Bộ Chia Điện Áp

Cách đơn giản nhất chúng ta có thể đo nhiệt độ là với một bộ chia điện áp. Bạn có thể sử dụng thermistor làm chân trên hoặc chân dưới của bộ chia tiềm năng. Nếu bạn sử dụng thermistor làm chân “trên” của bộ chia tiềm năng, điện áp sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Nếu bạn sử dụng một thermistor làm chân dưới của bộ chia điện áp, thì điện áp sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. 

Bất kỳ phương pháp nào cũng hợp lệ. Tuy nhiên, tôi sẽ gợi ý cố gắng giảm dòng điện qua bộ chia để ngăn chặn sự tự nhiệt của thermistor. Tùy thuộc vào giá trị và yêu cầu của thermistor NTC, bạn có thể tối ưu hóa việc triển khai bằng cách thay đổi cấu trúc.

Đối với việc triển khai của tôi, tôi đang sử dụng một bộ chia đơn giản không được tối ưu hóa cho bất kỳ phạm vi nhiệt độ cụ thể nào bằng cách sử dụng một bộ chia trên phù hợp với điện trở của thermistor ở 25 °C. Tại 25 °C, chúng ta nên mong đợi một nửa điện áp đầu vào. Giả sử bạn đang xây dựng một cảm biến nhiệt độ theo cách này. Trong trường hợp đó, bạn nên hiểu rõ phạm vi nhiệt độ bạn đang làm việc và tối ưu hóa điện trở và cấu trúc để cung cấp phạm vi điện áp rộng nhất có thể để có thể đo nhiệt độ chính xác hơn.

Lưu ý rằng, khi nhiệt độ tăng lên, điện trở của thermistor NTC sẽ giảm xuống. Điều này có nghĩa là phần lớn công suất sẽ bị rơi qua điện trở tham chiếu vì nó có sự giảm điện áp lớn hơn. Điều này cũng giúp ngăn chặn tự nhiệt và là một chiến lược tốt nếu chúng ta muốn đo nhiệt độ trên môi trường xung quanh.

Bố Cục PCB

Để tạo PCB, chúng tôi sẽ sử dụng mẫu dự án Thẻ Cảm Biến Nhiệt độ mà chúng tôi đã tạo trong bài viết trước trong loạt bài. Mẫu cũng có sẵn trên GitHub nếu bạn muốn sử dụng nó cho cảm biến của riêng mình.

Một điều bạn có thể nhận thấy là tên của các bảng mạch giống hệt như trong mẫu dự án. Điều này sẽ không làm cho việc quản lý hàng chục bảng mạch này trở nên dễ dàng nếu tất cả chúng đều có cùng tên tệp sơ đồ và PCB!

Tôi đã hỏi bạn của tôi Davide Bortolami liệu anh ấy có cách nào để đổi tên tệp trong dự án Altium không vì thói quen của tôi là loại bỏ tệp khỏi dự án - đổi tên nó, sau đó thêm nó trở lại vào dự án. Cách của tôi khá vụng về, vì vậy Davide ngay lập tức đề xuất sử dụng Trình Quản Lý Lưu Trữ để đổi tên các tệp. Bạn có thể tìm thấy trình quản lý lưu trữ dưới nút bảng điều khiển ở góc dưới bên phải của Altium.

Trình quản lý lưu trữ hoạt động tốt ngay cả khi dự án hiện tại của bạn không nằm trong một kho lưu trữ kiểm soát phiên bản. Tất cả những gì chúng ta cần làm là nhấp chuột phải vào sơ đồ hoặc PCB và chọn Đổi Tên (hoặc nhấn F2).

Đây là một giải pháp tinh tế hơn nhiều so với phương pháp mà tôi thường sử dụng.

Sau đó, chúng tôi thêm một trong những cài đặt từ trên vào tờ mạch. Sự thay đổi duy nhất cần thiết cho các phần mẫu của sơ đồ mạch là kết nối đầu ra analog của cảm biến với bộ kết nối cạnh thẻ.

Vì các sơ đồ mạch này là đơn cuối, không phải là đối xứng, chúng tôi có thể kết nối phía âm của cặp với mặt đất, với phía dương nhận đầu ra từ bộ chia điện áp kết nối với nó. Sau đó, tất cả những gì chúng tôi cần làm là cập nhật bảng mạch để thêm các linh kiện mới.

Trong khi làm việc trên bảng mạch, tôi cũng điền vào bảng kênh analog mà chúng tôi đã đặt trong mẫu để xác định kênh nào mà thẻ cảm biến cụ thể đang sử dụng. Điều này nên giảm thiểu cơ hội thêm hai cảm biến sử dụng cùng một kênh vào một chồng duy nhất.

Các bảng mạch cho những cái này tất nhiên là đơn giản không tưởng, với chỉ hai linh kiện được thêm vào mỗi bảng mạch. Tôi có thể đã đặt cả hai cảm biến trên cùng một bảng mạch, nhưng tôi muốn giữ mỗi cảm biến trên một bảng mạch. Bằng cách giữ mỗi cài đặt cảm biến được cô lập với bảng mạch riêng của nó, không có cảm biến nào sẽ ảnh hưởng đến kết quả từ bất kỳ cảm biến nào khác vì chúng chia sẻ bảng mạch.

Bảng mạch cho thermistor NTC 100k cơ bản giống hệt với các linh kiện điện trở và thermistor khác. Mẫu dự án chuẩn bị công việc dễ dàng để tạo ra một loạt các bảng mạch rất giống nhau.

Triển khai NTC: Thêm một điện trở song song

Như đã đề cập ở trên, chúng ta có thể thêm một điện trở song song với điện trở nhiệt NTC trong bộ chia điện áp của mình. Điều này sẽ giúp tuyến tính hóa một phần của bộ chia điện áp. Việc có một đầu ra tuyến tính cho phạm vi nhiệt độ quan tâm có thể hữu ích nếu bạn không thể chạy một thuật toán trên dữ liệu thu thập được để chuyển đổi giá trị thành nhiệt độ chính xác. Nó cũng có thể hữu ích nếu bạn không có cơ sở vật chất để thu thập chính xác dữ liệu cần thiết để xác định các giá trị cho thuật toán. Phần tuyến tính của phạm vi nhiệt độ sẽ cần một đọc điện áp, có thể được hiểu là nhiệt độ chênh lệch trực tiếp.

Đối với triển khai này, tôi đơn giản chỉ thêm một điện trở song song sẽ tuyến tính hóa điện trở nhiệt xung quanh 25 °C. Triển khai của bạn nên phù hợp với điện trở của điện trở nhiệt NTC tại điểm trung tâm của phạm vi nhiệt độ bạn đang cố gắng đo lường.

Tôi đã đặt hai điện trở 10K 0603 cạnh nhau cho việc triển khai này, vì tôi không mong đợi sẽ có bất kỳ sự khác biệt đo được nào về vị trí vật lý của điện trở song song so với nhiệt điện trở. Nếu chúng ta có thiết bị đo đạc đủ chính xác, có lẽ chúng ta có thể cảm nhận được một ít nhiệt từ điện trở song song làm nóng nhiệt điện trở nếu chúng ở gần nhau. Tuy nhiên, đó sẽ là một lượng nhỏ đến mức không làm thay đổi bất kỳ ứng dụng thực tế nào.

Triển khai NTC: Thêm một Bộ Theo Dõi Điện Áp

Để cải thiện sự ổn định của mạch, chúng ta cũng có thể sử dụng một op-amp như một bộ theo dõi điện áp. Điều này cũng có thể mang lại cho chúng ta một chút độ chính xác thêm tùy thuộc vào cách thực hiện chân đo điện áp. Một vi điều khiển hoặc ADC chuyên dụng sẽ có một số điện trở về mặt đất, thường là rất cao, nhưng nó vẫn sẽ hoạt động như một điện trở song song với bộ chia điện áp của chúng ta. Bằng cách sử dụng một bộ đệm/bộ theo dõi điện áp op-amp, chúng ta có thể cô lập chân vi điều khiển khỏi bộ chia điện áp.

Tôi đang sử dụng một bộ khuếch đại đệm có giá thành tương đối thấp cho mạch này. Một bộ khuếch đại đo lường sẽ có giá tương tự. Đáng chú ý là một số cảm biến analog và số mà chúng ta xem xét sau này trong loạt bài có giá thấp hơn chỉ bộ khuếch đại đệm và có độ chính xác và tuyến tính cao hơn so với một cảm biến nhiệt độ PTC hoặc NTC. Vì vậy, mặc dù mạch này nên cung cấp một kết quả đọc chính xác hơn, nó có lẽ không có nhiều ý nghĩa trong một thiết bị thực tế trừ khi bạn đang đọc một cảm biến nhiệt độ từ một thiết bị/máy móc bên ngoài mà bạn không thể thay đổi phần tử cảm biến.

Bạn cũng có thể sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động đa năng cho việc này, với chi phí giảm. Bộ khuếch đại đệm có độ khuếch đại là một, vì vậy không yêu cầu kết nối phản hồi - và quan trọng hơn, có trở kháng đầu vào và đầu ra cực kỳ cao. Trở kháng cao này so với một bộ khuếch đại hoạt động thông thường cung cấp độ chính xác cao hơn khi đọc một bộ chia điện áp như thế này. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại đệm như thế này là quá mức cần thiết cho một cảm biến nhiệt độ NTC, vì nó hoàn toàn có khả năng xử lý tín hiệu GHz.

PCB cho việc thực hiện mạch theo dõi điện áp tuân theo cùng một phong cách tổng thể như các mạch khác, với bộ khuếch đại đệm và điện trở chia được đặt ở phía đối diện của điểm ngắt nhiệt. Một lần nữa, tôi không mong đợi sẽ có bất kỳ sự truyền nhiệt đáng kể nào từ bộ khuếch đại đệm đến cảm biến nhiệt nếu chúng được đặt cùng nhau. Thiết kế này tiếp tục với chủ đề chỉ giữ phần tử cảm biến bên trong khu vực ngắt nhiệt để tất cả các phép đo của chúng tôi sẽ được nhất quán và không bị ảnh hưởng bởi các linh kiện khác ở gần.

Các Lựa Chọn Khác: Cầu Wheatstone

Bạn cũng có thể sử dụng cầu Wheatstone để có được phép đo chính xác hơn của cảm biến nhiệt. Tuy nhiên, tôi sẽ không thực hiện nó cho cảm biến nhiệt NTC trong loạt bài này. Trong bài viết về Cảm Biến Nhiệt Điện Trở (RTD), bạn sẽ tìm hiểu thêm về việc thực hiện cầu Wheatstone. Mặc dù một cảm biến nhiệt được thực hiện đúng cách và sử dụng công thức chính xác có thể khá chính xác, việc sử dụng cầu Wheatstone trên một cảm biến không chính xác tương đối không đáng với thời gian và chi phí thực hiện. Kết quả từ các ứng dụng đơn giản ở trên sẽ cho phép bạn tận dụng tối đa từ cảm biến nhiệt NTC như một cảm biến nhiệt độ.

Thử Nghiệm Bảng Mạch Cảm Biến Nhiệt NTC Bạn Tự

Những thẻ kiểm tra cảm biến này là mã nguồn mở, hãy kiểm tra kho lưu trữ trên GitHub để tải về các thiết kế và sử dụng chúng. Nếu bạn đang tìm cách đánh giá một số NTC thermistors, các tệp dự án cho các bảng này sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian. Bạn cũng sẽ tìm thấy tất cả các thẻ cảm biến mà chúng tôi phát triển trong loạt bài này trong cùng một kho lưu trữ GitHub, vì vậy bạn có thể sẽ có được một cái nhìn trước về những gì sắp xuất hiện tiếp theo trong loạt bài bằng cách kiểm tra kho lưu trữ!

Bạn muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Vẫn tự hỏi NTC thermistor là gì? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.