การได้รับผลลัพธ์เชิงบวกจากเทอร์มิสเตอร์ NTC ด้วยอินเทอร์เฟซแบบพาสซีฟที่เรียบง่าย

เทอร์มิสเตอร์ NTC ได้รับความนิยมเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ ขนาดเล็ก มีโครงสร้างแข็งแรง ความแม่นยำสูง ความอเนกประสงค์ และความไวสูง แต่ฟังก์ชันตอบสนองต่ออุณหภูมิเป็นแบบไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก ทำให้การกระตุ้นและการแปลงสัญญาณเป็นดิจิทัลและการประมวลผลเป็นงานที่ยาก

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วเทอร์มิสเตอร์แบบ NTC (Negative Temperature Coefficient) จะมีราคาถูก มีขนาดเล็ก มีโครงสร้างที่แข็งแรง แม่นยำ มีความยืดหยุ่น และมีความไวสูง จึงไม่น่าแปลกใจที่เทอร์มิสเตอร์แบบ NTC (Negative Temperature Coefficient) พื้นฐานจะได้รับความนิยมสูงสุดในบรรดาเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่มีจำหน่าย อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันตอบสนองอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ชนิดนี้ไม่เชิงเส้นตรง (ตามตัวอักษรคือเป็นแบบเลขชี้กำลัง) ทำให้การกระตุ้นและการแปลงสัญญาณเป็นดิจิทัลและการประมวลผลเป็นแบบฝึกหัดการออกแบบที่น่าสนใจ

แผ่นข้อมูลจำเพาะของเทอร์มิสเตอร์ NTC ทั่วไป (เช่น Molex 2152723605) สรุปคุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกด้วยพารามิเตอร์ 1 พารามิเตอร์ (สมการ 5 ถึง 1) ตามที่แสดงในรูปที่ 2152723605 (ตัวเลขยืมมาจากข้อมูล XNUMX):

ถึง = อุณหภูมิที่กำหนด/สอบเทียบ (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = ความต้านทานที่ To (10k ±1%) (2)

บี = เบต้า (3892 K) (3)

ปัจจัยการกระจายความร้อน (1.5 mW/°C) (4)

จากนั้นความต้านทานเทอร์มิสเตอร์ (Rt) เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ (T) ในหน่วยเคลวิน จะถูกทำนายโดย:

Rt = โร ประสบการณ์(ข(ต(-1– ถึง(-1))) (5)

เมื่อใช้หลักการ KISS แบบคลาสสิกแล้ว เราจะเห็นได้ในรูปที่ 1 ว่าวงจรที่ง่ายที่สุดในการดึงสัญญาณจากเทอร์มิสเตอร์นั้นสามารถใช้เป็นวงจรได้ และต้องใช้คณิตศาสตร์ขั้นพื้นฐานเพื่อคัดกรองการวัดอุณหภูมิจากเอาต์พุตและพารามิเตอร์ 1, 2 และ 3 จากด้านบน

รูปที่ 1 วงจรกระตุ้นแบบพาสซีฟเทอร์มิสเตอร์พื้นฐาน:

Cx = การลดสัญญาณรบกวนตามตัวเลือก อาจอยู่ที่ 100 nF

Rx = ตัวต้านทานการกระตุ้น

Rt = Rx(V/Vref)/(1 – V/Vref)

ต= (Ln (ขวา/ซ้าย)/ข + ซ้าย-1)-1

นอกจาก Cx (ซึ่งไม่สำคัญอย่างยิ่ง) และเทอร์มิสเตอร์เองแล้ว ส่วนประกอบเดียวในรูปที่ 1 ก็คือ Rx จะเลือกค่าของ Rx อย่างไรดี

สัญชาตญาณบอกเป็นนัยและคณิตศาสตร์ยืนยันว่าทางเลือกที่ดีที่สุด (อย่างน้อยก็เกือบจะเป็นเช่นนั้น) คือการทำให้ Rx เท่ากับเทอร์มิสเตอร์ที่กึ่งกลางของช่วงการวัดอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชัน อุณหภูมิจุดกึ่งกลางดังกล่าว (เรียกว่า Tx) จะส่งออก V = Vref/2 และกระจายความละเอียดของ ADC อย่างสมมาตรตลอดช่วงการวัด สมการ 5 บอกเราว่าจะไปถึงจุดนั้นได้อย่างไร

สมมติว่าเราเลือกช่วงการวัดตั้งแต่ 0oC ถึง 100oC จากนั้น Tx = 50oC = 323.15 K และเลขคณิตของสมการ 5 บอกเรา (โดยใช้ตัวเลขของ 2152723605):

Rx = โร ประสบการณ์(ข(เท็กซัส-1- ถึง-1)) คูณ = 10000 ประสบการณ์(3892 (323.15-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (ค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงที่สุด 1% = 3650)

ตอนนี้ หากเราเลือก Vref = 5V อย่างสะดวกสำหรับทั้งอินพุตไปยัง Rx และอินพุตอ้างอิงของ ADC (เนื่องจากนี่เป็นการวัดแบบอัตราส่วน ค่าสัมบูรณ์ของ Vref จึงไม่สำคัญเท่าใดนัก) เราสามารถตั้งค่าได้ดังนี้:

X = เอดีซี/2N = V/Vref จากนั้น T = (Ln(X/(1 – X))/ข + ทีเอ็กซ์ -1)-1

°ซ = (Ln(เอกซ์/(1 – เอกซ์))/3892 + 0.003095)-1- 273.15

และงานก็เสร็จสิ้นแล้ว!

หรือไม่ใช่? แล้วปัจจัยการกระจายความร้อน (ความร้อนด้วยตนเอง) (1.5 mW/°C) ล่ะ?

เห็นได้ชัดว่าเราไม่ต้องการให้เทอร์มิสเตอร์ทำความร้อนด้วยตนเองรบกวนการวัดอุณหภูมิอย่างมาก ขีดจำกัดที่เหมาะสมสำหรับข้อผิดพลาดในการทำความร้อนด้วยตนเองอาจอยู่ที่ครึ่งองศา และในกรณีของ 2152723803 ที่ 1.5 mW/°C นี้จะกำหนดให้จำกัดการสูญเสียสูงสุดไม่เกิน:

พีแม็กซ์ = (1.5 มิลลิวัตต์)/2 = 0.75 มิลลิวัตต์

การกระจายตัวจะสูงสุดที่ Vref(2)/4/Rx เมื่อ Rt = Rx และในกรณีนี้คือ Vref

= 5V จะเป็นดังนี้:

Pmax = ดัชนีอ้างอิง2/4/ใบสั่งยา

= 25/4/3650

= 1.7 มิลลิวัตต์

= 1.1 องศาเซลเซียส

โอ้โห! มันมากกว่านั้น สองครั้ง ข้อผิดพลาดสูงสุดในการทำความร้อนด้วยตนเองที่กำหนดไว้ จะทำอย่างไร ไม่ต้องกังวล มีวิธีแก้ปัญหาแนะนำในรูปที่ 2

รูปที่ 2 Rvdd จำกัดค่าสูงสุดของเทอร์มิสเตอร์ที่ให้ความร้อนด้วยตนเองเป็น Pmax:

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

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx ถ้า > ศูนย์ มิฉะนั้น Rvdd = 0

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

จุ่มกลับเข้าไปในตัวเลข 2152723605 อีกครั้งและคง Vdd = 5 V:

แรงดัน = 25/4/(0.75 มิลลิวัตต์) – 3650

รวบ = 8333 – 3650 = 4.7k

พีแม็กซ์ = 0.749 มิลลิวัตต์

2.8 โวลต์ < อ้างอิง < 5 โวลต์

โปรดทราบว่าหากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ในรูปที่ 2 ให้ค่า Rvdd เป็นศูนย์หรือติดลบ แสดงว่าไม่จำเป็นต้องใช้ Rvdd และวงจรรูปที่ 1 ดั้งเดิมก็จะทำงานได้ดี

แม้ว่า Vref จะแตกต่างกันไปตาม Rt และอุณหภูมิด้วย แต่ ADC โมโนลิธิกอ้างอิงภายนอกมักจะทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของ Vref ภายในช่วงที่แสดงได้ดี และจะดำเนินการแปลงอัตราส่วนเมตริกที่แม่นยำ แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวก็ตาม