Basit bir pasif arayüzle NTC termistörlerinden olumlu sonuçlar elde etmek

NTC termistörleri düşük maliyetleri, küçük boyutları, sağlam yapıları, yüksek doğrulukları, çok yönlülükleri ve yüksek hassasiyetleri nedeniyle popülerdir, ancak sıcaklık tepki fonksiyonları oldukça doğrusal değildir ve bu da uyarma ve sinyal sayısallaştırma ve işlemeyi zor bir görev haline getirir...

Genellikle düşük maliyetleri, küçük boyutları, sağlam yapıları, doğrulukları, çok yönlülükleri ve hassasiyetleri göz önüne alındığında, temel negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistörlerin piyasadaki en popüler sıcaklık sensörleri arasında yer alması şaşırtıcı değildir. Ancak, sıcaklık tepki fonksiyonları oldukça doğrusal değildir (kelimenin tam anlamıyla üstel), bu da uyarım ve sinyal sayısallaştırma ve işlemeyi ilginç tasarım egzersizleri haline getirir.

Tipik bir NTC termistörünün veri sayfası (örneğin, Molex 2152723605), Şekil 1'de gösterilen dört parametreli (Denklemler 5 ila 1) termoelektrik özellikleri özetlemektedir (sayılar 2152723605 verilerinden alınmıştır):

To = nominal/kalibrasyon sıcaklığı (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = To'daki direnç (10k ±1%) (2)

b = beta (3892 K) (3)

Dağılım (kendi kendini ısıtma) faktörü (1.5 mW/°C) (4)

Daha sonra termistör direnci (Rt), Kelvin cinsinden sıcaklığa (T) bağlı olarak şu şekilde tahmin edilir:

Rt = Ro exp(b(T(-1– (-1))) (5)

Klasik KISS prensibini uygulayarak, Şekil 1'de bir termistörden gelen sinyali almak için mümkün olan en basit devre adayını ve yukarıdaki 1, 2 ve 3 parametrelerinden ve çıkışından bir sıcaklık ölçümünü ayıklamak için bazı temel matematik işlemlerini görüyoruz.

Şekil 1 Temel termistör pasif uyarma devresi:

Cx = isteğe bağlı gürültü azaltma, belki 100 nF

Rx = uyarım direnci

Rt = Rx(V/Vref)/(1 – V/Vref)

Ç = (Ln (Rt/Rx)/b + Tx-1)-1

(Çok kritik olmayan) Cx ve termistörün kendisi dışında, Şekil 1'deki tek bileşen Rx'tir. Değeri en iyi nasıl seçilir?

Sezgi, optimum (en azından neredeyse) seçimin, Rx'i uygulama tarafından gerekli sıcaklık ölçüm aralığının ortasındaki termistörlere eşitlemek olduğunu ileri sürer ve matematik bunu doğrular. Söz konusu orta nokta sıcaklığı (bunu Tx olarak adlandırın) daha sonra V = Vref/2 çıktısı verecek ve böylece ADC çözünürlüğünü ölçüm aralığı boyunca simetrik olarak dağıtacaktır. Denklem 5 bize oraya nasıl ulaşacağımızı söyler.

0oC ile 100oC arasında bir ölçüm aralığı seçtiğimizi varsayalım, o zaman Tx = 50oC = 323.15 K olur ve Denklem 5'in aritmetiği bize şunu söyler (2152723605'in sayılarını kullanarak):

Rx = Ro exp(b(Tx-1--1)) Rx = 10000 exp(3892(323.15)-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (en yakın standart %1 değeri = 3650)

Şimdi, hem Rx'e hem de ADC'nin referans girişine Vref = 5V seçersek (bu oransal bir ölçüm olduğundan, Vref'in mutlak değeri nispeten önemsizdir) şunu ayarlayabiliriz:

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

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

Ve iş tamamdır!

Yoksa öyle mi? Peki ya o dağılma (kendi kendine ısınma) faktörü (1.5 mW/°C)?

Açıkçası termistör kendi kendine ısınmasının sıcaklık ölçümüne önemli ölçüde müdahale etmesini istemiyoruz. Kendi kendine ısınma hatası için makul bir sınır yarım derece olabilir ve 2152723803'ün 1.5 mW/°C'si durumunda bu, maksimum dağılımın en fazla şunlarla sınırlandırılmasını gerektirir:

Pmaks = (1.5 mW)/2 = 0.75 mW

Rt = Rx olduğunda ve bu Vref durumunda dağılım Vref(2)/4/Rx'e kadar çıkar

= 5V bu nedenle şu şekilde olacaktır:

Pmaks = Vref2/4/Rx

= 25 / 4 / 3650

= 1.7mW

= 1.1°C

Vay canına! Bu daha fazlası iki kere öngörülen maksimum kendi kendine ısınma hatası. Ne yapmalı? Endişelenmeyin, Şekil 2'de bir çözüm önerilmiştir.

Şekil 2 Rvdd, termistörün maksimum kendi kendine ısınmasını Pmax ile sınırlar:

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

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx eğer > sıfırsa, aksi takdirde Rvdd = 0

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

Tekrar 2152723605 sayılarına inelim ve Vdd = 5 V tutalım:

Rvdd = 25/4/(0.75 mW) – 3650

Rvdd = 8333 – 3650 = 4.7k

Pmaks = 0.749 mW

2.8 V < Vref < 5 V

Şekil 2'deki hesaplamanın Rvdd için sıfır veya negatif bir değer vermesi durumunda, Rvdd'ye gerek kalmayacağını ve orijinal Şekil 1 devresinin sorunsuz çalışacağını unutmayın.

Vref, Rt ve dolayısıyla sıcaklıkla değişse de, harici referans monolitik ADC'ler genellikle gösterilen aralıktaki Vref değişimlerine karşı oldukça toleranslıdır ve bunlara rağmen doğru oransal dönüşümler gerçekleştirir.