Mendapatkan hasil positif dari termistor NTC dengan antarmuka pasif sederhana

Termistor NTC populer karena biayanya yang rendah, ukurannya yang kecil, konstruksi yang kokoh, akurasi yang tinggi, fleksibilitas, dan sensitivitas yang tinggi, tetapi fungsi respons suhunya sangat nonlinier, yang membuat eksitasi serta digitalisasi dan pemrosesan sinyal menjadi tugas yang sulit ...

Mengingat biaya yang umumnya rendah, ukuran kecil, konstruksi yang kuat, akurasi, fleksibilitas, dan sensitivitasnya, tidak mengherankan bahwa termistor koefisien suhu negatif (NTC) dasar termasuk di antara sensor suhu paling populer yang tersedia. Namun, fungsi respons suhunya sangat nonlinier (secara harfiah eksponensial), menjadikan eksitasi dan digitalisasi serta pemrosesan sinyal sebagai latihan desain yang menarik.

Lembar data termistor NTC yang umum (misalnya, Molex 2152723605) merangkum sifat termo-listrik dengan empat parameter (Persamaan 1 hingga 5), ​​ditunjukkan pada Gambar 1 (angka-angka yang dipinjam dari data 2152723605):

To = suhu terukur/kalibrasi (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = resistansi pada To (10k ±1%) (2)

b = beta (3892 K) (3)

Faktor disipasi (pemanasan sendiri) (1.5 mW/°C) (4)

Maka resistansi termistor (Rt) sebagai fungsi suhu (T) dalam Kelvin diprediksi oleh:

Rt = Ro exp(b(T(-1– Ke(-1))) (5)

Dengan menerapkan prinsip KISS klasik, kita melihat pada Gambar 1 kandidat untuk rangkaian paling sederhana yang mungkin untuk memancing sinyal dari termistor, dan beberapa matematika dasar untuk memilah pengukuran suhu dari outputnya dan parameter 1, 2, dan 3 dari atas.

Gambar 1 Rangkaian eksitasi pasif termistor dasar:

Cx = pengurangan kebisingan opsional, mungkin 100 nF

Rx = resistor eksitasi

Rt = Rx(V/Vref)/(1 – V/Vref)

T= (Ln (Rt/Rx)/b + Tx-1)-1

Selain Cx (yang sangat tidak penting) dan termistor itu sendiri, satu-satunya komponen pada Gambar 1 adalah Rx. Bagaimana cara terbaik untuk memilih nilainya?

Intuisi menyarankan dan matematika mengonfirmasi bahwa pilihan yang optimal (paling tidak hampir demikian) adalah membuat Rx sama dengan termistor di tengah rentang pengukuran suhu yang dibutuhkan oleh aplikasi. Suhu titik tengah tersebut (sebut saja Tx) kemudian akan menghasilkan V = Vref/2 dan dengan demikian mendistribusikan resolusi ADC secara simetris pada rentang pengukuran. Persamaan 5 memberi tahu kita cara mencapainya.

Misalkan kita memilih rentang pengukuran 0oC hingga 100oC, maka Tx = 50oC = 323.15 K dan perhitungan Persamaan 5 memberi tahu kita (menggunakan angka 2152723605):

Rx = Rx = R exp(b(Tx-1- Untuk-1)) Rx = 10000 exp(3892(323.15 .)-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (nilai standar 1% terdekat = 3650)

Sekarang, jika kita dengan mudah memilih Vref = 5V untuk input ke Rx dan input referensi ADC (karena ini adalah pengukuran rasiometrik, nilai absolut Vref relatif tidak penting) kita dapat mengatur:

X = ADC/2N = V/Vref Maka, T = (Ln(X/(1 – X))/b + Tx -1)-1

Suhu Celcius = (Ln(X1 – X3892)/0.003095 + XNUMX)-1- 273.15

Dan pekerjaan pun selesai!

Atau bukan? Bagaimana dengan faktor disipasi (pemanasan sendiri) (1.5 mW/°C)?

Kami jelas tidak ingin pemanasan sendiri termistor mengganggu pengukuran suhu secara signifikan. Batas wajar untuk kesalahan pemanasan sendiri mungkin setengah derajat dan dalam kasus 2152723803 sebesar 1.5 mW/°C, ini akan menentukan pembatasan disipasi maksimum tidak lebih dari:

Pmaks = (1.5 mW)/2 = 0.75 mW

Disipasi mencapai maksimum Vref(2)/4/Rx ketika Rt = Rx dan dalam kasus ini Vref

= 5V maka akan menjadi:

Pmaks = Vref2/4/Rx

= 25/4/3650

= 1.7mW

= 1.1 °C

Astaga! Itu lebih dari dua kali kesalahan pemanasan sendiri maksimum yang ditetapkan. Apa yang harus dilakukan? Jangan khawatir, solusinya disarankan pada Gambar 2.

Gambar 2 Batasan Rvdd untuk pemanasan sendiri termistor maksimum ke Pmax:

Pmaks = Vdd(2)/4/(Rx + Rvdd)

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx jika > nol, jika tidak Rvdd = 0

(Vdd Rx/(Rvdd + Rx)) < Vref < Vdd

Menyelami lagi angka 2152723605 dan mempertahankan Vdd = 5 V:

Rvdd = 25/4/(0.75 mW) – 3650

Jumlah total = 8333 – 3650 = 4.7k

Pmaks = 0.749 mW

2.8 V < Vref < 5 V

Perhatikan bahwa jika matematika Gambar 2 menghasilkan nilai nol atau negatif untuk Rvdd, maka Rvdd tidak diperlukan, dan rangkaian Gambar 1 asli akan berfungsi dengan baik.

Meskipun Vref akan bervariasi dengan Rt dan karenanya suhu, ADC monolitik referensi eksternal biasanya sangat toleran terhadap variasi Vref dalam rentang yang ditunjukkan dan akan melakukan konversi rasiometrik yang akurat meskipun ada variasi tersebut.