Cảm biến nhiệt độ: Thermistor hệ số nhiệt độ dương (PTC)

Đây là phần 3 của dự án kiểm tra mọi loại cảm biến nhiệt độ với tất cả các cách thực hiện/topology tiêu chuẩn. Nếu bạn muốn thêm một cảm biến nhiệt độ vào dự án của mình, loạt bài này sẽ cung cấp cho bạn tất cả các lựa chọn, bao gồm toàn bộ phạm vi độ chính xác và chi phí. Cuối cùng của loạt bài, chúng tôi sẽ xây dựng một cặp bảng chủ cho tất cả các thẻ cảm biến mà chúng tôi đã phát triển, điều này sẽ cho phép chúng tôi kiểm tra, so sánh và đối chiếu các loại cảm biến khác nhau qua toàn bộ phạm vi nhiệt độ và điều kiện. Trong kỳ này của loạt bài, chúng tôi sẽ đi sâu vào cảm biến Thermistor với Hệ số Nhiệt Độ Dương (PTC).

Trong phần giới thiệu của loạt bài này, chúng tôi đã xây dựng một mẫu dự án cho các bảng cảm biến nhiệt độ analog, và một mẫu cho các bảng số. Bạn có thể tìm thấy những mẫu này và các cách thực hiện cảm biến cho các thermistor PTC được đề cập trong bài viết này trên GitHub. Như mọi khi, các 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. 

Bạn có thể tìm thấy một loạt đầy đủ các thermistor PTC, 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®. Bạn cũng có thể xem các cảm biến thermistor PTC trên Octopart nếu bạn muốn xem kho hàng từ các nhà phân phối.

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

• Thermistor Hệ Số Nhiệt Độ Âm (NTC)
• Thermistor Hệ Số Nhiệt Độ Dương (PTC)
• Cảm Biến Nhiệt Độ Điện Trở (RTD)
• Mạch Tích Hợp Cảm Biến Nhiệt Độ Analog
• Mạch Tích Hợp Cảm Biến Nhiệt Độ Kỹ Thuật Số
• Thermocouples

Phía trên là thiết kế PCB mà bạn sẽ đọc về trong Altium 365 Viewer; một cách miễn phí để kết nối với đồng nghiệp, khách hàng, và bạn bè với khả năng xem thiết kế hoặc tải xuống chỉ với một cú nhấp chuột! Tải lên thiết kế của bạn trong vài giây và có một cách tương tác để xem xét kỹ lưỡng mà không cần phần mềm cồng kềnh hay sức mạnh máy tính.

Thermistor Hệ Số Nhiệt Độ Dương (PTC)

Như tên gọi, thermistor có hệ số nhiệt độ dương, hay còn gọi là PTC, có điện trở tăng lên khi nhiệt độ tăng - hoàn toàn ngược lại với thermistor NTC từ bài viết trước trong loạt bài này. Điều này có thể mang lại một số ứng dụng thú vị; ví dụ, cầu chì tái lập PTC liên quan đến thermistor PTC. Trong khi chúng ta đang cố gắng hạn chế dòng điện qua thiết bị để giảm tự nhiệt, một cầu chì PTC sử dụng tự nhiệt để hạn chế dòng điện do sự tăng trở kháng khi nhiệt độ tăng lên.

Thermistor NTC là loại phổ biến nhất trong các mạch điện. Hầu hết các mạch tích hợp có kết nối với thermistor chỉ hỗ trợ thermistor NTC, như mạch sạc pin. Hơn nữa, điện trở của thermistor NTC ở 25 °C đáng kể cao hơn so với loại PTC. Các thermistor NTC phổ biến nhất là 10k và 100k ohm, trong khi PTC là 470 ohm và 1k ohm. Độ chính xác cho cảm biến thermistor PTC thường có thể là 50%, điều này sẽ không cung cấp đọc nhiệt độ chính xác mà không cần hiệu chuẩn chính xác. Mặc dù phạm vi dung sai tương đối lớn, hầu hết bảng dữ liệu của nhà sản xuất cho thấy đường cong phản ứng nhiệt độ thường nhất quán, có nghĩa là thiết bị chỉ cần hiệu chuẩn ban đầu ở một nhiệt độ đã biết.

Có một số loại thermistor PTC khác nhau, như chúng ta có thể thấy trong sơ đồ gia đình từ TI ở trên.

Mặc dù thermistor PTC thường không phải là lựa chọn đầu tiên của cảm biến nhiệt độ do nhu cầu cần hiệu chỉnh và điện trở thấp, chúng có thể được sử dụng trong một số mạch nhất định. Nơi mà thermistor PTC có thể cực kỳ hữu ích trong mạch của bạn là cho các ứng dụng mà bạn muốn giảm dòng điện khi nhiệt độ tăng lên. Điều này có thể rất thực tế cho một bảng mạch với các LED có điện trở hạn chế dòng và sẽ phải đối mặt với một loạt nhiệt độ rộng. Bằng cách sử dụng một thermistor PTC 470 Ohm hoặc 1k Ohm, có thể kết hợp với một điện trở bình thường để điều chỉnh dòng điện một cách tinh tế, bạn có thể hạn chế công suất cho một LED. Khi nhiệt độ của bảng mạch tăng lên, LED sẽ nhận được ít công suất hơn. Ngoài ra, tổng dòng điện sẽ giảm, vì vậy sẽ có ít sự nóng lên Joule trong quá trình hoạt động. Sự hạn chế tăng lên này trong dòng điện là thiết yếu bởi vì LED thất bại chủ yếu do nhiệt độ nút giao. Bằng cách giảm dòng điện và sự phân tán nhiệt trong LED ở nhiệt độ cao, bạn có thể kéo dài tuổi thọ của LED đáng kể. Ngược lại, nếu bạn cần tăng dòng điện cho một số phần tử khác khi nhiệt độ tăng lên, bạn sẽ đặt thermistor PTC song song.

Đối với dự án này, tôi sẽ bao gồm hai thermistor PTC. Cái đầu tiên là lựa chọn có sẵn nhiều nhất với gói 0402 hoặc 0603 từ Digi-Key và có độ chính xác là 50%. Nó không thực sự được dùng cho các ứng dụng cảm biến nhiệt độ, nhưng tôi nghĩ sẽ thú vị khi bao gồm nó như một ví dụ về một thành phần có độ chính xác rất thấp. Cái thứ hai là một thermistor PTC 1k với độ chính xác 0.5%, được dùng cho các ứng dụng cảm biến nhiệt độ.

Triển khai PTC: Bộ Chia Điện áp

Việc triển khai bộ chia điện áp trên các thermistor PTC giống hệt như triển khai NTC trong bài viết trước trong loạt bài này. Thermistor 470 Ohm có phạm vi dung sai rộng đến mức tôi cảm thấy không đáng để thêm một dòng BOM nữa chỉ để đưa ra một giá trị khác cho điện trở trên so với điện trở 1k Ohm mà tôi đang sử dụng.

Một lần nữa, nếu bạn định triển khai điều này trong dự án của mình, bạn sẽ xem xét đồ thị điện trở của thermistor PTC và chọn một điện trở phù hợp để tối ưu hóa điện áp đầu ra cho phạm vi bạn cần cảm biến.

Với các mẫu dự án cảm biến mà chúng tôi đã tạo trong phần đầu tiên của loạt bài này, việc tạo PCB trở nên tương đối đơn giản. Các mẫu đã hoàn thành 90% việc định tuyến, và chúng tôi chỉ cần đặt vị trí cho hai thành phần mới. Với một chút công sức định tuyến cảm biến mới, thẻ đánh giá sẵn sàng để sử dụng.

Bảng thermistor PTC 1K tất nhiên gần như giống hệt về ngoại hình, nhưng thermistor này được đóng gói trong bao bì 0402 thay vì 0603. Nếu bạn muốn đánh giá bất kỳ thermistor kích thước 0402 hoặc 0603 nào khác, bạn có thể lấy các tệp dự án cho các bảng này từ kho lưu trữ GitHub và tự tạo bảng của mình với cảm biến thermistor của riêng bạn.

Triển khai PTC: Thêm Bộ Theo Dõi Điện Áp

Tôi sử dụng thermistor PTC 1K ohm chính xác hơn với sai số 0.5% cùng với bộ theo dõi điện áp vì nó được thiết kế cho các ứng dụng cảm biến nhiệt độ, và lựa chọn 470 ohm mà chúng tôi đang thử nghiệm được dành cho các ứng dụng giới hạn dòng điện. Thermistor 470 ohm sẽ không hợp lý khi kết nối với mạch sẽ cung cấp kết quả cảm biến chính xác hơn, vì sai số của nó quá lớn.

Giống như các thermistor NTC từ bài viết trước trong loạt bài này, điều này có thể sẽ cho bạn một kết quả đo chính xác hơn, nhưng tổng chi phí của một khuếch đại đệm và cảm biến có thể mua cho bạn một cảm biến analog tốt với đầu ra tuyến tính và độ chính xác cao. Đây hơn là một minh họa cho việc đạt được một kết quả đo ổn định và chính xác hơn nếu bạn buộc phải sử dụng một thermistor PTC trong một thiết bị bên ngoài và không có khả năng tự chọn cảm biến nhiệt độ.

Sử dụng một bộ theo dõi điện áp cũng có thể cho chúng ta một chút độ chính xác thêm tùy thuộc vào cách chân đo điện áp được thực hiện. Một vi điều khiển hoặc ADC chuyên dụng thường có điện trở rất cao với mặt đất, nhưng nó vẫn sẽ hoạt động như một điện trở song song với bộ chia điện áp của chúng ta. Bằng cách thêm một khuếch đại đệm/theo dõi điện áp vào mạch, chúng ta có thể cô lập chân vi điều khiển khỏi bộ chia điện áp.

Mạch in PCB cho việc triển khai bộ theo dõi điện áp tuân theo cùng một chủ đề với các bảng mạch PTC thermistor khác. Thermistor được đặt ở phía đối diện của điểm ngắt nhiệt so với các linh kiện không cảm biến. Bằng cách chỉ giữ linh kiện cảm biến bên trong khu vực ngắt nhiệt, tất cả các phép đo của chúng tôi sẽ được nhất quán và không bị ảnh hưởng bởi các linh kiện khác lân cận. Tôi không mong đợi bất kỳ linh kiện nào khác phát ra đủ nhiệt để ảnh hưởng đến kết quả đo nhiệt độ bạn xác định từ PTC thermistor. Tuy nhiên, mục tiêu ở đây là so sánh trực tiếp các cảm biến với các loại linh kiện và topologies khác, vì vậy chúng tôi sẽ giữ chúng được cô lập khỏi bất kỳ mạch điện nào khác.

Lựa chọn khác: Cầu Wheatstone

Cầu Wheatstone là một công cụ tuyệt vời để đo các thay đổi nhỏ về điện trở một cách chính xác. Một cách để làm điều này là đặt phần tử cảm biến vào một trong các nhánh của cầu và hiệu chỉnh thiết bị sao cho điện áp qua đầu ra là không. Bạn có thể xác định sự thay đổi điện trở của một thermistor PTC bằng cách đo điện áp qua đầu ra của cầu. Tuy nhiên, không đáng để chúng ta sử dụng một bộ phận không chính xác như thermistor làm một phần của mạch chính xác vì các điện trở khác cần để hiệu chỉnh mạch đo sẽ khác nhau từ bo mạch này sang bo mạch khác. Sự đánh đổi về kỹ thuật không đáng - nếu bạn buộc phải sử dụng thermistor PTC làm cảm biến đo do yêu cầu bên ngoài, phương pháp chia điện áp đơn giản sẽ cho phép bạn đo nhiệt độ chính xác đủ. Nếu bạn có thể chọn linh kiện của mình để đo nhiệt độ, bạn sẽ đạt được kết quả chất lượng cao hơn bằng cách sử dụng một mạch tích hợp chính xác cho cảm biến nhiệt độ. Mạch tích hợp chính xác sẽ có giá thấp hơn so với các bộ phận cần thiết cho một cầu Wheatstone.

Thử Nghiệm Bản Mạch Thermistor PTC Của Bạn

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 cảm biến thermistor với hệ số nhiệt độ âm, 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 có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.