Bu, iki bölümlük bir dizinin ilk makalesidir. Bu makalede öncelikle,termistör tabanlı sıcaklıkÖlçüm sistemleri ve bunların direnç termometresi (RTD) sıcaklık ölçüm sistemleriyle karşılaştırılması. Ayrıca, termistör seçimi, yapılandırma farklılıkları ve sigma-delta analog-dijital dönüştürücülerin (ADC'ler) bu uygulama alanındaki önemi açıklanacaktır. İkinci makale, termistör tabanlı nihai ölçüm sisteminin nasıl optimize edileceğini ve değerlendirileceğini ayrıntılı olarak açıklayacaktır.
Önceki makale dizisinde açıklandığı gibi, RTD Sıcaklık Sensörü Sistemlerini Optimize Etme, RTD, direnci sıcaklıkla değişen bir dirençtir. Termistörler, RTD'lere benzer şekilde çalışır. Yalnızca pozitif bir sıcaklık katsayısına sahip olan RTD'lerin aksine, bir termistör pozitif veya negatif bir sıcaklık katsayısına sahip olabilir. Negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistörler, sıcaklık arttıkça dirençlerini azaltırken, pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) termistörler sıcaklık arttıkça dirençlerini artırır. Şekil 1, tipik NTC ve PTC termistörlerinin tepki özelliklerini göstermekte ve bunları RTD eğrileriyle karşılaştırmaktadır.
Sıcaklık aralığı açısından, RTD eğrisi neredeyse doğrusaldır ve termistörün doğrusal olmayan (üstel) yapısı nedeniyle sensör, termistörlerden çok daha geniş bir sıcaklık aralığını (genellikle -200°C ila +850°C) kapsar. RTD'ler genellikle bilinen standart eğriler halinde sunulurken, termistör eğrileri üreticiye göre değişir. Bu konuyu, bu makalenin termistör seçim kılavuzu bölümünde ayrıntılı olarak ele alacağız.
Termistörler, genellikle seramik, polimer veya yarı iletkenler (genellikle metal oksitler) ve saf metaller (platin, nikel veya bakır) olmak üzere kompozit malzemelerden yapılır. Termistörler, sıcaklık değişimlerini RTD'lerden daha hızlı algılayarak daha hızlı geri bildirim sağlar. Bu nedenle, termistörler, düşük maliyet, küçük boyut, daha hızlı tepki süresi, daha yüksek hassasiyet ve sınırlı sıcaklık aralığı gerektiren uygulamalarda (elektronik kontrol, ev ve bina kontrolü, bilimsel laboratuvarlar veya ticari veya endüstriyel uygulamalardaki termokupllar için soğuk bağlantı kompanzasyonu gibi) sensörler tarafından yaygın olarak kullanılır.
Çoğu durumda, hassas sıcaklık ölçümü için PTC termistörleri değil, NTC termistörleri kullanılır. Aşırı akım koruma devrelerinde veya güvenlik uygulamaları için sıfırlanabilir sigorta olarak kullanılabilen bazı PTC termistörleri mevcuttur. Bir PTC termistörünün direnç-sıcaklık eğrisi, anahtarlama noktasına (veya Curie noktasına) ulaşmadan önce çok küçük bir NTC bölgesi gösterir; bu noktanın üzerinde direnç, birkaç santigrat derece aralığında birkaç büyüklük mertebesinde keskin bir şekilde yükselir. Aşırı akım koşullarında, PTC termistörü anahtarlama sıcaklığı aşıldığında güçlü bir öz ısıtma üretecek ve direnci keskin bir şekilde yükselecektir; bu da sisteme gelen giriş akımını azaltarak hasarı önleyecektir. PTC termistörlerinin anahtarlama noktası genellikle 60°C ile 120°C arasındadır ve çok çeşitli uygulamalarda sıcaklık ölçümlerini kontrol etmek için uygun değildir. Bu makale, genellikle -80°C ile +150°C arasında değişen sıcaklıkları ölçebilen veya izleyebilen NTC termistörlerine odaklanmaktadır. NTC termistörlerin direnç değerleri 25°C'de birkaç ohm ile 10 MΩ arasında değişir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, termistörlerde Santigrat derece başına direnç değişimi, dirençli termometrelere göre daha belirgindir. Termistörlerle karşılaştırıldığında, termistörün yüksek hassasiyeti ve yüksek direnç değeri, giriş devresini basitleştirir, çünkü termistörler, iletken direncini telafi etmek için 3 telli veya 4 telli gibi özel bir kablolama konfigürasyonu gerektirmez. Termistör tasarımı yalnızca basit bir 2 telli konfigürasyon kullanır.
Yüksek hassasiyetli termistör tabanlı sıcaklık ölçümü, Şekil 2'de gösterildiği gibi hassas sinyal işleme, analogdan dijitale dönüştürme, doğrusallaştırma ve kompanzasyon gerektirir.
Sinyal zinciri basit görünse de, tüm anakartın boyutunu, maliyetini ve performansını etkileyen çeşitli karmaşıklıklar mevcuttur. ADI'nin hassas ADC portföyü, bir uygulama için gereken yapı taşlarının çoğunun yerleşik olması nedeniyle termal sistem tasarımı için birçok avantaj sağlayan AD7124-4/AD7124-8 gibi çeşitli entegre çözümler içerir. Ancak, termistör tabanlı sıcaklık ölçüm çözümlerinin tasarımı ve optimizasyonunda çeşitli zorluklar vardır.
Bu makalede bu sorunların her biri ele alınmakta ve bunların çözümüne yönelik öneriler sunulmakta ve bu tür sistemler için tasarım sürecinin daha da basitleştirilmesi sağlanmaktadır.
Çok çeşitliNTC termistörleriGünümüzde piyasada çok sayıda termistör bulunduğundan, uygulamanız için doğru termistörü seçmek göz korkutucu bir iş olabilir. Termistörlerin nominal değerlerine, yani 25°C'deki nominal dirençlerine göre listelendiğini unutmayın. Dolayısıyla, 10 kΩ'luk bir termistörün 25°C'deki nominal direnci 10 kΩ'dur. Termistörlerin nominal veya temel direnç değerleri birkaç ohm ile 10 MΩ arasında değişir. Düşük direnç değerlerine (10 kΩ veya daha düşük nominal direnç) sahip termistörler genellikle -50°C ile +70°C gibi daha düşük sıcaklık aralıklarını destekler. Daha yüksek direnç değerlerine sahip termistörler ise 300°C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilir.
Termistör elemanı metal oksitten yapılmıştır. Termistörler küre, radyal ve SMD şekillerinde mevcuttur. Termistör boncukları, ek koruma için epoksi kaplı veya cam kapsüllüdür. Epoksi kaplı küre termistörler, radyal ve yüzey termistörleri 150°C'ye kadar sıcaklıklar için uygundur. Cam boncuk termistörler yüksek sıcaklıkları ölçmek için uygundur. Her türlü kaplama/ambalaj korozyona karşı da koruma sağlar. Bazı termistörler, zorlu ortamlarda ek koruma için ek muhafazalara da sahiptir. Boncuk termistörler, radyal/SMD termistörlerden daha hızlı tepki süresine sahiptir. Ancak, o kadar dayanıklı değildirler. Bu nedenle, kullanılan termistör türü, nihai uygulamaya ve termistörün bulunduğu ortama bağlıdır. Bir termistörün uzun vadeli kararlılığı, malzemesine, ambalajına ve tasarımına bağlıdır. Örneğin, epoksi kaplı bir NTC termistörü yılda 0,2°C değişebilirken, kapalı bir termistör yılda yalnızca 0,02°C değişir.
Termistörler farklı hassasiyetlerde gelir. Standart termistörler genellikle 0,5°C ile 1,5°C arasında bir hassasiyete sahiptir. Termistör direnç derecesi ve beta değeri (25°C ile 50°C/85°C oranı) toleransa sahiptir. Termistörün beta değerinin üreticiye göre değiştiğini unutmayın. Örneğin, farklı üreticilerin 10 kΩ NTC termistörleri farklı beta değerlerine sahip olacaktır. Daha hassas sistemler için Omega™ 44xxx serisi gibi termistörler kullanılabilir. 0°C ile 70°C sıcaklık aralığında 0,1°C veya 0,2°C hassasiyete sahiptirler. Bu nedenle, ölçülebilen sıcaklık aralığı ve bu sıcaklık aralığında gereken hassasiyet, termistörlerin bu uygulama için uygun olup olmadığını belirler. Omega 44xxx serisinin hassasiyeti ne kadar yüksekse maliyetinin de o kadar yüksek olduğunu unutmayın.
Direnci santigrat dereceye dönüştürmek için genellikle beta değeri kullanılır. Beta değeri, iki sıcaklık noktasının ve her bir sıcaklık noktasındaki karşılık gelen direncin bilinmesiyle belirlenir.
RT1 = Sıcaklık direnci 1 RT2 = Sıcaklık direnci 2 T1 = Sıcaklık 1 (K) T2 = Sıcaklık 2 (K)
Kullanıcı, projede kullanılan sıcaklık aralığına en yakın beta değerini kullanır. Çoğu termistör veri sayfasında, 25°C'de bir direnç toleransı ve beta değeri için bir toleransla birlikte bir beta değeri listelenir.
Omega 44xxx serisi gibi yüksek hassasiyetli termistörler ve yüksek hassasiyetli sonlandırma çözümleri, direnci Santigrat dereceye dönüştürmek için Steinhart-Hart denklemini kullanır. Denklem 2, yine sensör üreticisi tarafından sağlanan üç sabit olan A, B ve C'yi gerektirir. Denklem katsayıları üç sıcaklık noktası kullanılarak oluşturulduğundan, ortaya çıkan denklem doğrusallaştırmanın getirdiği hatayı (genellikle 0,02 °C) en aza indirir.
A, B ve C, üç sıcaklık ayar noktasından türetilen sabitlerdir. R = ohm cinsinden termistör direnci T = K derece cinsinden sıcaklık
Şekil 3, sensörün akım uyarımını göstermektedir. Termistöre tahrik akımı, hassas dirence de aynı akım uygulanır; ölçüm için referans olarak hassas bir direnç kullanılır. Referans direncinin değeri, termistör direncinin en yüksek değerine eşit veya büyük olmalıdır (sistemde ölçülen en düşük sıcaklığa bağlı olarak).
Uyarma akımı seçilirken, termistörün maksimum direnci yine hesaba katılmalıdır. Bu, sensör ve referans direnci arasındaki voltajın her zaman elektronik aksam tarafından kabul edilebilir bir seviyede olmasını sağlar. Alan akımı kaynağı, bir miktar boşluk payı veya çıkış uyumu gerektirir. Termistör, ölçülebilir en düşük sıcaklıkta yüksek bir dirence sahipse, bu çok düşük bir sürücü akımıyla sonuçlanır. Bu nedenle, yüksek sıcaklıkta termistör üzerinde üretilen voltaj küçüktür. Bu düşük seviyeli sinyallerin ölçümünü optimize etmek için programlanabilir kazanç kademeleri kullanılabilir. Ancak, termistörden gelen sinyal seviyesi sıcaklığa göre büyük ölçüde değiştiğinden, kazancın dinamik olarak programlanması gerekir.
Diğer bir seçenek ise kazancı ayarlayıp dinamik sürücü akımı kullanmaktır. Bu nedenle, termistörden gelen sinyal seviyesi değiştikçe, sürücü akımı değeri dinamik olarak değişir ve termistörde oluşan voltaj, elektronik cihazın belirtilen giriş aralığında olur. Kullanıcı, referans direncinde oluşan voltajın da elektronik aksam tarafından kabul edilebilir bir seviyede olduğundan emin olmalıdır. Her iki seçenek de yüksek seviyede kontrol ve termistördeki voltajın sürekli izlenmesini gerektirir, böylece elektronik aksam sinyali ölçebilir. Daha kolay bir seçenek var mı? Voltaj uyarmasını düşünün.
Termistöre DC voltajı uygulandığında, termistörden geçen akım, termistörün direnci değiştikçe otomatik olarak ölçeklenir. Artık, referans direnç yerine hassas ölçüm direnci kullanarak, termistörden geçen akımı hesaplayabilir ve böylece termistör direncinin hesaplanmasını sağlayabilirsiniz. Sürücü voltajı aynı zamanda ADC referans sinyali olarak da kullanıldığından, kazanç katına gerek yoktur. İşlemcinin termistör voltajını izleme, sinyal seviyesinin elektronik devreler tarafından ölçülüp ölçülemeyeceğini belirleme ve hangi sürücü kazanç/akım değerinin ayarlanması gerektiğini hesaplama görevi yoktur. Bu makalede kullanılan yöntem budur.
Termistörün direnç değeri ve direnç aralığı küçükse, gerilim veya akım uyarması kullanılabilir. Bu durumda, sürücü akımı ve kazanç sabitlenebilir. Böylece devre, Şekil 3'te gösterildiği gibi olacaktır. Bu yöntem, sensör ve referans direnci üzerinden geçen akımı kontrol etmeyi mümkün kıldığı için kullanışlıdır; bu da düşük güç uygulamalarında değerlidir. Ayrıca, termistörün kendi kendine ısınması en aza indirilir.
Gerilim uyarımı, düşük direnç değerlerine sahip termistörler için de kullanılabilir. Ancak, kullanıcı sensörden geçen akımın sensör veya uygulama için çok yüksek olmadığından her zaman emin olmalıdır.
Gerilim uyarımı, yüksek direnç değerine ve geniş bir sıcaklık aralığına sahip bir termistör kullanıldığında uygulamayı kolaylaştırır. Daha yüksek nominal direnç, kabul edilebilir bir nominal akım seviyesi sağlar. Ancak tasarımcıların, akımın uygulama tarafından desteklenen tüm sıcaklık aralığında kabul edilebilir bir seviyede olduğundan emin olmaları gerekir.
Sigma-Delta ADC'ler, bir termistör ölçüm sistemi tasarlarken çeşitli avantajlar sunar. İlk olarak, sigma-delta ADC analog girişi yeniden örneklediği için harici filtreleme minimumda tutulur ve tek gereksinim basit bir RC filtresidir. Filtre tipi ve çıkış baud hızında esneklik sağlarlar. Dahili dijital filtreleme, şebeke elektriğiyle çalışan cihazlardaki herhangi bir paraziti bastırmak için kullanılabilir. AD7124-4/AD7124-8 gibi 24 bitlik cihazlar 21,7 bite kadar tam çözünürlüğe sahip olduğundan yüksek çözünürlük sunarlar.
Sigma-delta ADC'nin kullanımı termistör tasarımını büyük ölçüde basitleştirirken, teknik özellikleri, sistem maliyetini, kart alanını ve pazara sunma süresini azaltır.
Bu makalede, dahili PGA, dahili referans, analog giriş ve referans tamponuna sahip düşük gürültülü, düşük akımlı, hassas ADC'ler oldukları için ADC olarak AD7124-4/AD7124-8 kullanılmıştır.
Sürücü akımı veya sürücü voltajı kullanmanızdan bağımsız olarak, referans voltajı ve sensör voltajının aynı sürücü kaynağından geldiği oransal bir yapılandırma önerilir. Bu, uyarma kaynağındaki herhangi bir değişikliğin ölçüm doğruluğunu etkilemeyeceği anlamına gelir.
Şekil 5'te termistör ve hassas direnç RREF için sabit tahrik akımı gösterilmektedir, RREF üzerinde oluşan gerilim termistör ölçümü için referans gerilimidir.
Alan akımının hassas olması gerekmez ve bu konfigürasyonda alan akımındaki herhangi bir hata ortadan kaldırılacağından daha az kararlı olabilir. Genellikle, sensör uzak konumlarda bulunduğunda üstün hassasiyet kontrolü ve daha iyi gürültü bağışıklığı nedeniyle akım uyarımı, voltaj uyarımına tercih edilir. Bu tür bir önyargı yöntemi genellikle düşük direnç değerlerine sahip RTD'ler veya termistörler için kullanılır. Ancak, daha yüksek direnç değerine ve daha yüksek hassasiyete sahip bir termistör için, her sıcaklık değişiminde üretilen sinyal seviyesi daha büyük olacağından voltaj uyarımı kullanılır. Örneğin, 10 kΩ'luk bir termistörün 25°C'deki direnci 10 kΩ'dur. -50°C'de NTC termistörünün direnci 441,117 kΩ'dur. AD7124-4/AD7124-8 tarafından sağlanan minimum 50 µA'lik sürücü akımı, 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V üretir; bu değer çok yüksektir ve bu uygulama alanında kullanılan çoğu mevcut ADC'nin çalışma aralığının dışındadır. Termistörler de genellikle elektronik devrelere bağlanır veya yakınına yerleştirilir, bu nedenle sürücü akımına karşı bağışıklık gerekmez.
Gerilim bölücü devre olarak seri olarak bir algılama direnci eklemek, termistörden geçen akımı minimum direnç değerine sınırlayacaktır. Bu konfigürasyonda, algılama direnci RSENSE değeri, 25°C referans sıcaklığındaki termistör direnç değerine eşit olmalıdır, böylece çıkış voltajı, 25°C nominal sıcaklığındaki referans voltajının orta noktasına eşit olacaktır. Benzer şekilde, 25°C'de 10 kΩ dirençli 10 kΩ'luk bir termistör kullanılırsa, RSENSE değeri 10 kΩ olmalıdır. Sıcaklık değiştikçe, NTC termistörünün direnci de değişir ve termistör üzerindeki tahrik voltajının oranı da değişerek çıkış voltajının NTC termistörünün direnciyle orantılı olmasını sağlar.
Termistöre ve/veya RSENSE'e güç sağlamak için kullanılan seçili voltaj referansı, ölçüm için kullanılan ADC referans voltajıyla eşleşirse, sistem, herhangi bir uyarmayla ilgili hata voltajı kaynağının ortadan kaldırılması için önyargılı ölçüme ayarlanır (Şekil 7).
Algılama direncinin (voltaj tahrikli) veya referans direncinin (akım tahrikli) düşük bir başlangıç toleransına ve düşük bir kaymaya sahip olması gerektiğini unutmayın, çünkü her iki değişken de tüm sistemin doğruluğunu etkileyebilir.
Birden fazla termistör kullanıldığında, tek bir uyarma gerilimi kullanılabilir. Ancak, Şekil 8'de gösterildiği gibi, her termistörün kendi hassas algılama direncine sahip olması gerekir. Diğer bir seçenek ise, açık durumda harici bir çoklayıcı veya düşük dirençli bir anahtar kullanmaktır; bu, tek bir hassas algılama direncinin paylaşılmasına olanak tanır. Bu konfigürasyonda, her termistörün ölçüm sırasında bir süre yerleşmesi gerekir.
Özetle, termistör tabanlı bir sıcaklık ölçüm sistemi tasarlarken göz önünde bulundurulması gereken birçok soru vardır: sensör seçimi, sensör kablolaması, bileşen seçimindeki farklılıklar, ADC yapılandırması ve bu çeşitli değişkenlerin sistemin genel doğruluğunu nasıl etkilediği. Bu serideki bir sonraki makale, hedef performansınıza ulaşmak için sistem tasarımınızı ve genel sistem hata bütçenizi nasıl optimize edeceğinizi açıklamaktadır.
Gönderim zamanı: 30 Eylül 2022