सरल निष्क्रिय इंटरफ़ेस के साथ एनटीसी थर्मिस्टर से सकारात्मक परिणाम प्राप्त करना

एनटीसी थर्मिस्टर अपनी कम लागत, छोटे आकार, मजबूत निर्माण, उच्च सटीकता, बहुमुखी प्रतिभा और उच्च संवेदनशीलता के कारण लोकप्रिय हैं, लेकिन उनका तापमान प्रतिक्रिया कार्य अत्यधिक अरेखीय है, जिससे उत्तेजना और संकेत डिजिटलीकरण और प्रसंस्करण एक कठिन कार्य बन जाता है ...

उनकी आम तौर पर कम लागत, छोटे आकार, मजबूत निर्माण, सटीकता, बहुमुखी प्रतिभा और संवेदनशीलता को देखते हुए, यह कोई आश्चर्य की बात नहीं है कि बुनियादी नकारात्मक तापमान गुणांक (एनटीसी) थर्मिस्टर सबसे लोकप्रिय तापमान सेंसर में से एक हैं। हालांकि, उनका तापमान प्रतिक्रिया कार्य अत्यधिक गैर-रैखिक (शाब्दिक रूप से घातीय) है, जो उत्तेजना और संकेत डिजिटलीकरण और प्रसंस्करण को दिलचस्प डिजाइन अभ्यास बनाता है।

सामान्य एनटीसी थर्मिस्टर की डेटाशीट (उदाहरण के लिए, मोलेक्स 2152723605) चार मापदंडों (समीकरण 1 से 5) के साथ ताप-विद्युत गुणों का सारांश प्रस्तुत करती है, जिसे चित्र 1 में दर्शाया गया है (संख्याएं 2152723605 डेटा से उधार ली गई हैं):

To = रेटेड/अंशांकन तापमान (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = To पर प्रतिरोध (10k ±1%) (2)

बी = बीटा (3892 के) (3)

अपव्यय (स्वयं-हीटिंग) कारक (1.5 mW/°C) (4)

फिर केल्विन में तापमान (T) के एक फ़ंक्शन के रूप में थर्मिस्टर प्रतिरोध (Rt) की भविष्यवाणी इस प्रकार की जाती है:

आरटी = आरओ exp(बी(टी(-1– से(-1))) (5)

क्लासिक KISS सिद्धांत को लागू करते हुए, हम चित्र 1 में थर्मिस्टर से सिग्नल प्राप्त करने के लिए सबसे सरलतम सर्किट के उम्मीदवार को देखते हैं, तथा इसके आउटपुट और पैरामीटर 1, 2, और 3 से तापमान माप को छांटने के लिए कुछ बुनियादी गणित को देखते हैं।

चित्र 1 मूल थर्मिस्टर निष्क्रिय उत्तेजना सर्किट:

Cx = वैकल्पिक शोर न्यूनीकरण, संभवतः 100 nF

Rx = उत्तेजन प्रतिरोधक

आरटी = आरएक्स(वी/वीआरईएफ)/(1 – वी/वीआरईएफ)

टी= (Ln (आरटी/आरएक्स)/बी + टीएक्स-1)-1

(बहुत ही कम महत्वपूर्ण) Cx और थर्मिस्टर के अलावा, चित्र 1 में एकमात्र घटक Rx है। इसका मान कैसे चुनें?

अंतर्ज्ञान सुझाव देता है और गणित पुष्टि करता है कि इष्टतम (कम से कम लगभग ऐसा ही) विकल्प अनुप्रयोग द्वारा आवश्यक तापमान माप की अवधि के मध्य में थर्मिस्टर के बराबर Rx बनाना है। कहा गया मध्य-बिंदु तापमान (इसे Tx कहें) तब V = Vref/2 आउटपुट करेगा और इस प्रकार माप की सीमा पर ADC रिज़ॉल्यूशन को सममित रूप से वितरित करेगा। समीकरण 5 हमें बताता है कि वहां कैसे पहुंचा जाए।

मान लीजिए हम 0oC से 100oC की माप सीमा चुनते हैं, तो Tx = 50oC = 323.15 K और समीकरण 5 का अंकगणित हमें बताता है (2152723605 की संख्याओं का उपयोग करके):

आरएक्स = आरओ exp(बी(टीएक्स-1- इस-1)) आरएक्स = 10000 exp(४ (४)-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (निकटतम मानक 1% मान = 3650)

अब, यदि हम सुविधाजनक रूप से Rx के इनपुट और ADC के संदर्भ इनपुट दोनों के लिए Vref = 5V चुनते हैं (चूंकि यह एक अनुपातमितीय माप है, Vref का निरपेक्ष मान अपेक्षाकृत महत्वहीन है) तो हम सेट कर सकते हैं:

एक्स = एडीसी/2N = V/Vref तब, T = (Ln(एक्स/(1 – एक्स))/बी + टीएक्स -1)-1

डिग्री सेल्सियस = (Ln(एक्स/(1 – एक्स))/3892 + 0.003095)-1- 273.15

और काम पूरा हो गया!

या फिर यह सच है? उस अपव्यय (स्वयं-हीटिंग) कारक (1.5 mW/°C) के बारे में क्या?

हम स्पष्ट रूप से नहीं चाहते कि थर्मिस्टर का स्व-हीटिंग तापमान माप में महत्वपूर्ण रूप से हस्तक्षेप करे। स्व-हीटिंग त्रुटि के लिए एक उचित सीमा आधा डिग्री हो सकती है और 2152723803 के 1.5 mW/°C के मामले में, यह अधिकतम अपव्यय को इससे अधिक नहीं सीमित करने का निर्देश देगा:

पीमैक्स = (1.5 मेगावाट)/2 = 0.75 मेगावाट

अपव्यय अधिकतम Vref(2)/4/Rx तक पहुँच जाता है जब Rt = Rx और इस मामले में Vref

= 5V इसलिए होगा:

पीमैक्स = वीआरएफ़2/4/आरएक्स

= 25/4/3650

= 1.7 मेगावाट

= 1.1 ° से

अरे! यह तो इससे भी ज्यादा है दो बार निर्धारित अधिकतम स्व-हीटिंग त्रुटि। क्या करें? चिंता न करें, चित्र 2 में समाधान सुझाया गया है।

चित्र 2 Rvdd अधिकतम थर्मिस्टर स्व-हीटिंग को Pmax तक सीमित करता है:

पीमैक्स = Vdd(2)/4/(Rx + Rvdd)

आरवीडीडी = वीडीडी(2)/4/पीमैक्स - आरएक्स यदि > शून्य, अन्यथा आरवीडीडी = 0

(वीडीडी आरएक्स/(आरवीडीडी + आरएक्स)) < वीरेफ < वीडीडी

2152723605 संख्याओं में पुनः डुबकी लगाते हुए तथा Vdd = 5 V रखते हुए:

आरवीडीडी = 25/4/(0.75 मेगावाट) - 3650

आरवीडीडी = 8333 – 3650 = 4.7k

पीमैक्स = 0.749 मेगावॉट

2.8 वी < वीआरईएफ < 5 वी

ध्यान दें कि यदि चित्र 2 का गणित Rvdd के लिए शून्य या ऋणात्मक मान देता है, तो किसी Rvdd की आवश्यकता नहीं है, और मूल चित्र 1 सर्किट ठीक काम करेगा।

यद्यपि Vref, Rt और इसलिए तापमान के साथ बदलता रहेगा, बाह्य-संदर्भ मोनोलिथिक ADCs आमतौर पर दर्शाई गई सीमा के भीतर Vref परिवर्तनों के प्रति बहुत सहनशील होते हैं और उनके बावजूद सटीक अनुपातमितीय रूपांतरण करेंगे।