Ez egy kétrészes sorozat első cikke. Ez a cikk először a történetét és a tervezési kihívásokat tárgyalja.termisztor alapú hőmérsékletmérési rendszerek, valamint összehasonlításuk az ellenállás-hőmérős (RTD) hőmérsékletmérő rendszerekkel. Leírja a termisztor kiválasztását, a konfigurációs kompromisszumokat, valamint a szigma-delta analóg-digitális átalakítók (ADC-k) fontosságát ezen az alkalmazási területen. A második cikk részletesen ismerteti, hogyan optimalizálható és értékelhető a termisztor alapú végső mérési rendszer.
Amint azt az előző, RTD hőmérséklet-érzékelő rendszerek optimalizálása című cikksorozatban leírtuk, az RTD egy ellenállás, amelynek ellenállása a hőmérséklettel változik. A termisztorok hasonlóan működnek, mint az RTD-k. Az RTD-kkel ellentétben, amelyek csak pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkeznek, egy termisztornak lehet pozitív vagy negatív hőmérsékleti együtthatója. A negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) termisztorok csökkentik az ellenállásukat a hőmérséklet emelkedésével, míg a pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok növelik az ellenállásukat a hőmérséklet emelkedésével. Az 1. ábra a tipikus NTC és PTC termisztorok válaszjellemzőit mutatja, és összehasonlítja azokat az RTD görbékkel.
A hőmérséklet-tartomány tekintetében az RTD-görbe közel lineáris, és az érzékelő sokkal szélesebb hőmérséklet-tartományt fed le, mint a termisztorok (jellemzően -200 °C és +850 °C között) a termisztor nemlineáris (exponenciális) jellege miatt. Az RTD-ket általában jól ismert szabványosított görbékben adják meg, míg a termisztor görbéi gyártónként eltérőek. Ezt részletesen tárgyaljuk a cikk termisztor kiválasztási útmutatójában.
A termisztorok kompozit anyagokból, általában kerámiákból, polimerekből vagy félvezetőkből (általában fém-oxidokból) és tiszta fémekből (platina, nikkel vagy réz) készülnek. A termisztorok gyorsabban érzékelik a hőmérsékletváltozásokat, mint az ellenállás-hőmérők (RTD), így gyorsabb visszacsatolást biztosítanak. Ezért a termisztorokat gyakran használják olyan érzékelőknél, amelyek alacsony költséget, kis méretet, gyorsabb válaszidőt, nagyobb érzékenységet és korlátozott hőmérsékleti tartományt igényelnek, például elektronikai vezérlésben, otthoni és épületfelügyeletben, tudományos laboratóriumokban, vagy kereskedelmi vagy ipari alkalmazásokban használt hőelemek hidegpont-kompenzációjában. Alkalmazások.
A legtöbb esetben az NTC termisztorokat használják a pontos hőmérsékletméréshez, nem a PTC termisztorokat. Kaphatóak olyan PTC termisztorok, amelyek túláramvédelmi áramkörökben vagy visszaállítható biztosítékként használhatók biztonsági alkalmazásokhoz. A PTC termisztor ellenállás-hőmérséklet görbéje egy nagyon kis NTC tartományt mutat a kapcsolási pont (vagy Curie-pont) elérése előtt, amely felett az ellenállás több nagyságrenddel meredeken emelkedik, több Celsius-fok tartományban. Túláram esetén a PTC termisztor erős önmelegedést generál, amikor a kapcsolási hőmérsékletet túllépik, és az ellenállása meredeken emelkedik, ami csökkenti a rendszer bemeneti áramát, ezáltal megakadályozza a károsodást. A PTC termisztorok kapcsolási pontja jellemzően 60°C és 120°C között van, és nem alkalmas hőmérsékletmérés vezérlésére széles alkalmazási körben. Ez a cikk az NTC termisztorokra összpontosít, amelyek jellemzően -80°C és +150°C közötti hőmérsékletet tudnak mérni vagy figyelni. Az NTC termisztorok ellenállása néhány ohmtól 10 MΩ-ig terjed 25°C-on. Amint az 1. ábrán látható, a termisztorok Celsius-fokonkénti ellenállásváltozása nagyobb, mint az ellenállás-hőmérőknél. A termisztorokhoz képest a termisztor nagy érzékenysége és magas ellenállásértéke leegyszerűsíti a bemeneti áramkörét, mivel a termisztorok nem igényelnek semmilyen speciális kábelezési konfigurációt, például 3 vagy 4 vezetékes bekötést a vezeték ellenállásának kompenzálásához. A termisztor kialakítása csak egy egyszerű 2 vezetékes konfigurációt használ.
A nagy pontosságú termisztor alapú hőmérsékletmérés precíz jelfeldolgozást, analóg-digitális átalakítást, linearizálást és kompenzációt igényel, amint az a 2. ábrán látható.
Bár a jelátviteli lánc egyszerűnek tűnhet, számos összetett tényező befolyásolja a teljes alaplap méretét, költségét és teljesítményét. Az ADI precíziós ADC portfóliója számos integrált megoldást tartalmaz, mint például az AD7124-4/AD7124-8, amelyek számos előnyt biztosítanak a hőrendszer-tervezés szempontjából, mivel az alkalmazáshoz szükséges építőelemek többsége be van építve. A termisztor alapú hőmérsékletmérési megoldások tervezése és optimalizálása azonban számos kihívással jár.
Ez a cikk mindegyik problémát tárgyalja, és ajánlásokat fogalmaz meg a megoldásukra, valamint az ilyen rendszerek tervezési folyamatának további egyszerűsítésére.
Sokféle vanNTC termisztoroka piacon, így a megfelelő termisztor kiválasztása az alkalmazáshoz ijesztő feladat lehet. Vegye figyelembe, hogy a termisztorokat névleges értékük szerint sorolják fel, ami a névleges ellenállásuk 25°C-on. Ezért egy 10 kΩ-os termisztor névleges ellenállása 10 kΩ 25°C-on. A termisztorok névleges vagy alap ellenállási értékei néhány ohmtól 10 MΩ-ig terjednek. Az alacsony ellenállású termisztorok (névleges ellenállás 10 kΩ vagy kevesebb) jellemzően alacsonyabb hőmérsékleti tartományokat támogatnak, például -50°C és +70°C között. A nagyobb ellenállású termisztorok akár 300°C hőmérsékletet is elviselnek.
A termisztor elem fém-oxidból készül. A termisztorok gömb, radiál és SMD formában kaphatók. A termisztorgyöngyök epoxigyantával bevonattal vagy üveggel vannak ellátva a fokozott védelem érdekében. Az epoxigyantával bevont gömbtermisztorok, radiál és felületi termisztorok akár 150°C-os hőmérsékletig is alkalmasak. Az üveggyöngytermisztorok magas hőmérsékletek mérésére is alkalmasak. Minden típusú bevonat/csomagolás védelmet nyújt a korrózió ellen is. Egyes termisztorok további házakkal is rendelkeznek a fokozott védelem érdekében zord környezetben. A gyöngytermisztorok gyorsabb válaszidővel rendelkeznek, mint a radiál/SMD termisztorok. Azonban nem olyan tartósak. Ezért a használt termisztor típusa a végalkalmazástól és a termisztor környezetétől függ. A termisztor hosszú távú stabilitása az anyagától, a csomagolásától és a kialakításától függ. Például egy epoxigyantával bevont NTC termisztor évente 0,2°C-ot változhat, míg egy lezárt termisztor csak 0,02°C-ot.
A termisztorok különböző pontossággal kaphatók. A standard termisztorok pontossága jellemzően 0,5°C és 1,5°C között van. A termisztor ellenállásának névleges értéke és a béta-érték (25°C és 50°C/85°C arány) tűréssel rendelkezik. Vegye figyelembe, hogy a termisztor béta-értéke gyártónként változik. Például a különböző gyártóktól származó 10 kΩ-os NTC termisztorok eltérő béta-értékekkel rendelkeznek. Pontosabb rendszerekhez olyan termisztorok használhatók, mint az Omega™ 44xxx sorozat. Ezek pontossága 0,1°C vagy 0,2°C 0°C és 70°C közötti hőmérsékleti tartományban. Ezért a mérhető hőmérsékletek tartománya és az adott hőmérsékleti tartományban szükséges pontosság határozza meg, hogy a termisztorok alkalmasak-e erre az alkalmazásra. Felhívjuk figyelmét, hogy minél nagyobb az Omega 44xxx sorozat pontossága, annál magasabb a költség.
Az ellenállás Celsius-fokba való átszámításához általában a béta-értéket használják. A béta-értéket a két hőmérsékleti pont és az egyes hőmérsékleti pontokhoz tartozó ellenállás ismeretében határozzák meg.
RT1 = 1. hőmérséklet-ellenállás RT2 = 2. hőmérséklet-ellenállás T1 = 1. hőmérséklet (K) T2 = 2. hőmérséklet (K)
A felhasználó a projektben használt hőmérséklet-tartományhoz legközelebb eső béta-értéket használja. A legtöbb termisztor adatlapja felsorol egy béta-értéket, valamint egy 25°C-on mért ellenállás-tűrést és a béta-érték tűrését.
A nagyobb pontosságú termisztorok és a nagy pontosságú lezáró megoldások, mint például az Omega 44xxx sorozat, a Steinhart-Hart egyenletet használják az ellenállás Celsius-fokokra való átváltoztatásához. A 2. egyenlethez a három állandóra, az A-ra, B-re és C-re van szükség, amelyeket szintén az érzékelő gyártója biztosít. Mivel az egyenlet együtthatóit három hőmérsékleti pont felhasználásával generálják, a kapott egyenlet minimalizálja a linearizálás által bevezetett hibát (jellemzően 0,02 °C).
Az A, B és C három hőmérsékleti alapértékből származtatott állandók. R = termisztor ellenállása ohmban T = hőmérséklet K fokban
A 3. ábra az érzékelő gerjesztési áramát mutatja. A meghajtóáram a termisztorra, és ugyanaz az áram a precíziós ellenállásra jut; a precíziós ellenállást használják referenciaként a méréshez. A referenciaellenállás értékének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a termisztor ellenállásának legmagasabb értékével (a rendszerben mért legalacsonyabb hőmérséklettől függően).
A gerjesztőáram kiválasztásakor ismét figyelembe kell venni a termisztor maximális ellenállását. Ez biztosítja, hogy az érzékelő és a referencia ellenállás feszültsége mindig az elektronika számára elfogadható szinten legyen. A gerjesztőáram-forrás bizonyos mértékű mozgásteret vagy kimeneti illesztést igényel. Ha a termisztornak nagy az ellenállása a legalacsonyabb mérhető hőmérsékleten, az nagyon alacsony meghajtóáramot eredményez. Ezért a termisztoron magas hőmérsékleten keletkező feszültség kicsi. Programozható erősítési fokozatok használhatók ezen alacsony szintű jelek mérésének optimalizálására. Az erősítést azonban dinamikusan kell programozni, mivel a termisztorból érkező jelszint nagymértékben változik a hőmérséklettel.
Egy másik lehetőség az erősítés beállítása, de dinamikus meghajtóáram használata. Ezért, ahogy a termisztorból érkező jelszint változik, a meghajtóáram értéke dinamikusan változik, így a termisztoron kialakuló feszültség az elektronikus eszköz megadott bemeneti tartományán belül van. A felhasználónak gondoskodnia kell arról, hogy a referencia ellenálláson kialakuló feszültség az elektronika számára elfogadható szinten legyen. Mindkét lehetőség magas szintű vezérlést, a termisztoron lévő feszültség állandó monitorozását igényli, hogy az elektronika mérni tudja a jelet. Van egyszerűbb megoldás? Fontolja meg a feszültséggerjesztést.
Amikor egyenfeszültséget kapcsolunk a termisztorra, az átfolyó áram automatikusan skálázódik a termisztor ellenállásának változásával. Mivel most egy precíziós mérőellenállást használunk a referenciaellenállás helyett, annak célja a termisztoron átfolyó áram kiszámítása, ezáltal a termisztor ellenállásának kiszámítása. Mivel a meghajtófeszültséget ADC referenciajelként is használják, nincs szükség erősítésfokozatra. A processzornak nem feladata a termisztor feszültségének figyelése, annak meghatározása, hogy a jelszint mérhető-e az elektronika által, és annak kiszámítása, hogy milyen meghajtóerősítési/áramértéket kell módosítani. Ezt a módszert használjuk ebben a cikkben.
Ha a termisztor kis névleges ellenállással és ellenállás-tartománnyal rendelkezik, feszültség- vagy áramgerjesztés használható. Ebben az esetben a meghajtóáram és az erősítés rögzíthető. Így az áramkör a 3. ábrán látható módon alakul. Ez a módszer azért kényelmes, mert az áram az érzékelőn és a referencia ellenálláson keresztül szabályozható, ami értékes kis teljesítményű alkalmazásokban. Ezenkívül a termisztor önmelegedése minimálisra csökken.
A feszültséggerjesztés alacsony ellenállású termisztoroknál is alkalmazható. A felhasználónak azonban mindig ügyelnie kell arra, hogy az érzékelőn átfolyó áram ne legyen túl nagy az érzékelőhöz vagy az alkalmazáshoz képest.
A feszültséggerjesztés leegyszerűsíti a megvalósítást nagy ellenállású és széles hőmérséklet-tartományú termisztor használata esetén. A nagyobb névleges ellenállás elfogadható névleges áramszintet biztosít. A tervezőknek azonban biztosítaniuk kell, hogy az áram az alkalmazás által támogatott teljes hőmérséklet-tartományban elfogadható szinten legyen.
A szigma-delta ADC-k számos előnnyel járnak termisztoros mérőrendszerek tervezése során. Először is, mivel a szigma-delta ADC újramintavételezi az analóg bemenetet, a külső szűrés minimális, és az egyetlen követelmény egy egyszerű RC szűrő. Rugalmasságot biztosítanak a szűrőtípus és a kimeneti átviteli sebesség tekintetében. A beépített digitális szűrés felhasználható a hálózati feszültségről működő eszközökben fellépő interferencia elnyomására. A 24 bites eszközök, mint például az AD7124-4/AD7124-8, akár 21,7 bites teljes felbontással rendelkeznek, így nagy felbontást biztosítanak.
A szigma-delta ADC használata nagymértékben leegyszerűsíti a termisztorok kialakítását, miközben csökkenti a specifikációt, a rendszerköltséget, a panel helyigényét és a piacra kerülési időt.
Ez a cikk az AD7124-4/AD7124-8-at használja ADC-ként, mivel ezek alacsony zajszintű, alacsony áramerősségű, precíziós ADC-k beépített PGA-val, beépített referenciával, analóg bemenettel és referenciapufferrel.
Függetlenül attól, hogy meghajtóáramot vagy meghajtófeszültséget használ, ratiometrikus konfiguráció ajánlott, amelyben a referenciafeszültség és az érzékelőfeszültség ugyanabból a meghajtóforrásból származik. Ez azt jelenti, hogy a gerjesztőforrás bármilyen változása nem befolyásolja a mérés pontosságát.
Az 5. ábra a termisztor és a precíziós ellenállás (RREF) állandó meghajtóáramát mutatja, az RREF ellenálláson kialakuló feszültség a termisztor mérésének referenciafeszültsége.
A gerjesztőáramnak nem kell pontosnak lennie, és kevésbé stabil is lehet, mivel ebben a konfigurációban a gerjesztőáramban fellépő hibák kiküszöbölődnek. Általában az áramgerjesztést részesítik előnyben a feszültséggerjesztéssel szemben a kiváló érzékenységszabályozás és a jobb zajállóság miatt, ha az érzékelő távoli helyeken található. Ezt a fajta előfeszítési módszert jellemzően alacsony ellenállású RTD-khez vagy termisztorokhoz használják. Azonban egy nagyobb ellenállásértékű és nagyobb érzékenységű termisztor esetén az egyes hőmérsékletváltozások által generált jelszint nagyobb lesz, ezért feszültséggerjesztést alkalmaznak. Például egy 10 kΩ-os termisztor ellenállása 10 kΩ 25°C-on. -50°C-on az NTC termisztor ellenállása 441,117 kΩ. Az AD7124-4/AD7124-8 által biztosított 50 µA-es minimális meghajtóáram 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V-ot generál, ami túl magas, és kívül esik a legtöbb, ezen az alkalmazási területen használt ADC működési tartományán. A termisztorok általában az elektronika közelében vannak csatlakoztatva vagy elhelyezve, így a meghajtóárammal szembeni immunitás nem szükséges.
Egy feszültségosztó áramkörként sorba kapcsolt érzékelő ellenállás hozzáadása a termisztoron átfolyó áramot a minimális ellenállásértékére korlátozza. Ebben a konfigurációban az érzékelő ellenállás RSENSE értékének meg kell egyeznie a termisztor ellenállásának értékével 25 °C referencia-hőmérsékleten, így a kimeneti feszültség megegyezik a referenciafeszültség középpontjával a 25 °C névleges hőmérsékleten. Hasonlóképpen, ha egy 10 kΩ-os termisztort használunk 10 kΩ ellenállással 25 °C-on, az RSENSE értékének 10 kΩ-nak kell lennie. A hőmérséklet változásával az NTC termisztor ellenállása is változik, és a termisztoron lévő meghajtófeszültség aránya is változik, aminek eredményeként a kimeneti feszültség arányos lesz az NTC termisztor ellenállásával.
Ha a termisztor és/vagy az RSENSE táplálásához használt kiválasztott feszültségreferencia megegyezik a méréshez használt ADC referenciafeszültséggel, a rendszer ratiometrikus mérésre állítódik be (7. ábra), így minden gerjesztéssel kapcsolatos hibafeszültség-forrás előfeszített lesz az eltávolítása érdekében.
Megjegyzendő, hogy mind az érzékelő ellenállásnak (feszültségvezérelt), mind a referencia ellenállásnak (áramvezérelt) alacsony kezdeti tűréssel és alacsony eltolódással kell rendelkeznie, mivel mindkét változó befolyásolhatja a teljes rendszer pontosságát.
Több termisztor használata esetén egyetlen gerjesztőfeszültség használható. Azonban minden termisztornak saját precíziós érzékelő ellenállással kell rendelkeznie, ahogy a 8. ábra mutatja. Egy másik lehetőség egy külső multiplexer vagy alacsony ellenállású kapcsoló használata bekapcsolt állapotban, amely lehetővé teszi egy precíziós érzékelő ellenállás megosztását. Ennél a konfigurációnál minden termisztornak szüksége van bizonyos beállási időre a mérés során.
Összefoglalva, egy termisztor alapú hőmérsékletmérő rendszer tervezésekor számos kérdést kell figyelembe venni: az érzékelő kiválasztása, az érzékelő bekötése, az alkatrészválasztás kompromisszumai, az ADC konfigurációja, és hogy ezek a különböző változók hogyan befolyásolják a rendszer teljes pontosságát. A sorozat következő cikke elmagyarázza, hogyan optimalizálható a rendszer kialakítása és a teljes rendszerhiba-keret a célzott teljesítmény elérése érdekében.
Közzététel ideje: 2022. szeptember 30.