간단한 수동 인터페이스를 사용하여 NTC 서미스터에서 긍정적인 결과 얻기

NTC 서미스터는 저렴한 가격, 작은 크기, 견고한 구조, 높은 정확도, 다용성 및 높은 감도로 인기가 있지만 온도 응답 함수가 매우 비선형적이어서 여기 및 신호 디지털화 및 처리가 어려운 작업입니다.

일반적으로 저렴한 비용, 작은 크기, 견고한 구조, 정확성, 다재다능함, 감도를 감안할 때, 기본 음의 온도 계수(NTC) 서미스터가 가장 인기 있는 온도 센서 중 하나로 평가되는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 그러나 온도 응답 함수는 매우 비선형(문자 ​​그대로 지수적)이어서 여기 및 신호 디지털화 및 처리가 흥미로운 설계 연습이 됩니다.

일반적인 NTC 서미스터의 데이터시트(예: Molex 2152723605)는 그림 1에 표시된 5개의 매개변수(방정식 1~2152723605)를 사용하여 열전기적 특성을 요약합니다(숫자는 XNUMX 데이터에서 차용).

To = 정격/교정 온도(25°C = 298.15 K) (1)

Ro = To에서의 저항(10k±1%) (2)

b = 베타(3892K)(3)

소실(자기발열) 계수(1.5 mW/°C) (4)

그러면 켈빈 온도(T)의 함수인 서미스터 저항(Rt)은 다음과 같이 예측됩니다.

Rt = Ro 특급(b(T(-1– To(-1))) (5)

고전적인 KISS 원리를 적용하면, 그림 1에서 서미스터의 신호를 낚아채는 가장 간단한 회로의 후보를 볼 수 있으며, 출력과 위의 매개변수 1, 2, 3에서 온도 측정값을 추출하기 위한 몇 가지 기본적인 수학을 볼 수 있습니다.

그림 1 기본 서미스터 수동 여기 회로:

Cx = 선택적 노이즈 감소, 아마도 100 nF

Rx = 여기 저항기

Rt = Rx(V/Vref)/(1 – V/Vref)

티 = (Ln (왕복/수신)/b + 송신-1)-1

(매우 비판적이지 않은) Cx와 서미스터 자체를 제외하고 그림 1의 유일한 구성 요소는 Rx입니다. 이 값을 선택하는 가장 좋은 방법은 무엇입니까?

직감적으로 최적의(적어도 거의) 선택은 Rx를 애플리케이션에서 요구하는 온도 측정 범위의 중간에 있는 서미스터와 같게 만드는 것이라고 수학적으로 확인됩니다. 그러면 중간 지점 온도(Tx라고 함)가 V = Vref/2를 출력하고 따라서 측정 범위에 걸쳐 ADC 분해능을 대칭적으로 분배합니다. 방정식 5는 그 방법을 알려줍니다.

측정 범위를 0oC~100oC로 선택했다고 가정하면 Tx = 50oC = 323.15K가 되고 방정식 5의 산술 연산은 (2152723605의 숫자를 사용하여) 다음과 같은 결과를 알려줍니다.

Rx = Ro 특급(b(Tx-1- 큰-1)) 처방 = 10000 특급(3892 (323.15-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (가장 가까운 표준 1% 값 = 3650)

이제 Rx 입력과 ADC의 기준 입력에 대해 Vref = 5V를 편리하게 선택하면(이것은 비율 측정이므로 Vref의 절대값은 상대적으로 중요하지 않음) 다음과 같이 설정할 수 있습니다.

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

°C = (Ln(X/(1 - X))/3892 + 0.003095)-1- 273.15

이제 작업이 완료되었습니다!

아니면 그럴까요? 그 소산(자체 가열) 계수(1.5 mW/°C)는 어떻습니까?

우리는 분명히 서미스터 자체 가열이 온도 측정을 크게 방해하는 것을 원하지 않습니다. 자체 가열 오류에 대한 합리적인 한계는 2152723803도일 수 있으며 1.5의 XNUMXmW/°C의 경우 최대 소산을 다음보다 더 제한하지 않도록 지시합니다.

Pmax = (1.5mW)/2 = 0.75mW

Rt = Rx이고 이 경우 Vref의 경우 소실은 Vref(2)/4/Rx로 최대화됩니다.

따라서 = 5V는 다음과 같습니다.

Pmax = Vref2/4/ 처방

= 25 / 4 / 3650

= 1.7mW

= 1.1°C

와! 그거 이상이에요 두번 규정된 최대 자체 가열 오류. 어떻게 해야 할까요? 걱정하지 마세요. 그림 2에서 해결책을 제안합니다.

그림 2 Rvdd는 최대 서미스터 자체 가열을 Pmax로 제한합니다.

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

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx가 0보다 크면 Rvdd = XNUMX

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

2152723605 숫자로 다시 들어가고 Vdd = 5V를 유지합니다.

Rvdd = 25/4/(0.75mW) – 3650

Rvdd = 8333 - 3650 = 4.7k

Pmax = 0.749mW

2.8V < Vref < 5V

그림 2의 수학 계산에서 Rvdd가 1 또는 음수 값인 경우 Rvdd가 필요하지 않으므로 원래 그림 XNUMX 회로가 정상적으로 작동합니다.

Vref는 Rt와 온도에 따라 달라지지만, 외부 참조 모노리식 ADC는 일반적으로 표시된 범위 내에서 Vref 변동에 대한 내성이 매우 강하고 변동에도 불구하고 정확한 비율 변환을 수행합니다.