Bu iki bölümlük bir serinin ilk makalesidir.Bu makale ilk olarak tarihi ve tasarım zorluklarını tartışacaktır.termistör bazlı sıcaklıkölçüm sistemleri ve bunların dirençli termometre (RTD) sıcaklık ölçüm sistemleriyle karşılaştırılması.Ayrıca bu uygulama alanında termistör seçimi, konfigürasyon değişiklikleri ve sigma-delta analog-dijital dönüştürücülerin (ADC'ler) önemi de açıklanacaktır.İkinci makale, son termistör bazlı ölçüm sisteminin nasıl optimize edileceğini ve değerlendirileceğini ayrıntılarıyla anlatacaktır.
Önceki makale dizisinde açıklandığı gibi, RTD Sıcaklık Sensörü Sistemlerini Optimize Etme, RTD, direnci sıcaklığa göre değişen bir dirençtir.Termistörler RTD'lere benzer şekilde çalışır.Yalnızca pozitif sıcaklık katsayısına sahip olan RTD'lerin aksine, bir termistörün pozitif veya negatif sıcaklık katsayısı olabilir.Negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistörler sıcaklık arttıkça dirençlerini azaltırken, pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) termistörler sıcaklık arttıkça dirençlerini artırır.Şek.Şekil 1, tipik NTC ve PTC termistörlerinin tepki özelliklerini gösterir ve bunları RTD eğrileriyle karşılaştırır.
Sıcaklık aralığı açısından, RTD eğrisi neredeyse doğrusaldır ve termistörün doğrusal olmayan (üstel) yapısı nedeniyle sensör, termistörlerden çok daha geniş bir sıcaklık aralığını (tipik olarak -200°C ila +850°C) kapsar.RTD'ler genellikle iyi bilinen standartlaştırılmış eğrilerde sağlanırken termistör eğrileri üreticiye göre değişir.Bu konuyu bu yazımızın termistör seçim kılavuzu bölümünde detaylı olarak ele alacağız.
Termistörler genellikle seramik, polimer veya yarı iletken (genellikle metal oksitler) ve saf metallerden (platin, nikel veya bakır) oluşan kompozit malzemelerden yapılır.Termistörler sıcaklık değişikliklerini RTD'lerden daha hızlı algılayarak daha hızlı geri bildirim sağlayabilir.Bu nedenle termistörler, elektronik kontrol, ev ve bina kontrolü, bilimsel laboratuvarlar veya ticari termokupllar için soğuk bağlantı kompanzasyonu gibi düşük maliyetli, küçük boyutlu, daha hızlı yanıt, daha yüksek hassasiyet ve sınırlı sıcaklık aralığı gerektiren uygulamalarda sensörler tarafından yaygın olarak kullanılır. veya endüstriyel uygulamalar.amaçlar.Uygulamalar.
Çoğu durumda doğru sıcaklık ölçümü için PTC termistörleri değil NTC termistörleri kullanılır.Aşırı akım koruma devrelerinde veya güvenlik uygulamaları için sıfırlanabilir sigortalar olarak kullanılabilen bazı PTC termistörleri mevcuttur.Bir PTC termistörünün direnç-sıcaklık eğrisi, anahtar noktasına (veya Curie noktasına) ulaşmadan önce çok küçük bir NTC bölgesini gösterir; bunun üzerinde direnç, birkaç santigrat derece aralığında birkaç büyüklük mertebesinde keskin bir şekilde yükselir.Aşırı akım koşullarında, PTC termistörü, anahtarlama sıcaklığı aşıldığında güçlü bir kendi kendine ısınma üretecek ve direnci keskin bir şekilde artacak, bu da sisteme giriş akımını azaltacak ve böylece hasarı önleyecektir.PTC termistörlerinin anahtarlama noktası tipik olarak 60°C ile 120°C arasındadır ve geniş bir uygulama yelpazesinde sıcaklık ölçümlerinin kontrol edilmesi için uygun değildir.Bu makale, genellikle -80°C ile +150°C arasındaki sıcaklıkları ölçebilen veya izleyebilen NTC termistörlerine odaklanmaktadır.NTC termistörleri, 25°C'de birkaç ohm'dan 10 MΩ'a kadar değişen direnç değerlerine sahiptir.Şekil 2'de gösterildiği gibi.Şekil 1'de, termistörler için Celsius derecesi başına dirençteki değişim, dirençli termometrelere göre daha belirgindir.Termistörlerle karşılaştırıldığında termistörün yüksek hassasiyeti ve yüksek direnç değeri, giriş devresini basitleştirir çünkü termistörler, kurşun direncini telafi etmek için 3 telli veya 4 telli gibi herhangi bir özel kablolama konfigürasyonuna ihtiyaç duymaz.Termistör tasarımında yalnızca basit bir 2 telli konfigürasyon kullanılır.
Yüksek hassasiyetli termistör bazlı sıcaklık ölçümü, şekil 2'de gösterildiği gibi hassas sinyal işleme, analogdan dijitale dönüştürme, doğrusallaştırma ve dengeleme gerektirir.2.
Sinyal zinciri basit görünse de, anakartın tamamının boyutunu, maliyetini ve performansını etkileyen çeşitli karmaşıklıklar vardır.ADI'nin hassas ADC portföyü, bir uygulama için ihtiyaç duyulan yapı taşlarının çoğunun yerleşik olması nedeniyle termal sistem tasarımı için bir dizi avantaj sağlayan AD7124-4/AD7124-8 gibi çeşitli entegre çözümler içerir.Ancak termistör bazlı sıcaklık ölçüm çözümlerinin tasarlanması ve optimize edilmesinde çeşitli zorluklar vardır.
Bu makalede bu sorunların her biri tartışılmakta ve bunların çözülmesine ve bu tür sistemler için tasarım sürecinin daha da basitleştirilmesine yönelik öneriler sağlanmaktadır.
Çok çeşitli varNTC termistörleriBugün piyasada mevcut olduğundan uygulamanız için doğru termistörü seçmek göz korkutucu bir iş olabilir.Termistörlerin, 25°C'deki nominal dirençleri olan nominal değerlerine göre listelendiğini unutmayın.Bu nedenle, 10 kΩ'luk bir termistörün 25°C'de 10 kΩ'luk nominal direnci vardır.Termistörlerin birkaç ohm'dan 10 MΩ'a kadar değişen nominal veya temel direnç değerleri vardır.Düşük direnç derecesine sahip termistörler (nominal direnç 10 kΩ veya daha az) genellikle -50°C ila +70°C gibi daha düşük sıcaklık aralıklarını destekler.Daha yüksek direnç değerlerine sahip termistörler 300°C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilir.
Termistör elemanı metal oksitten yapılmıştır.Termistörler küresel, radyal ve SMD şekillerinde mevcuttur.Termistör boncukları, ilave koruma için epoksi kaplı veya cam kapsüllüdür.Epoksi kaplı küresel termistörler, radyal ve yüzey termistörleri 150°C'ye kadar sıcaklıklara uygundur.Cam boncuk termistörleri yüksek sıcaklıkları ölçmek için uygundur.Her türlü kaplama/ambalaj aynı zamanda korozyona karşı da koruma sağlar.Bazı termistörlerin zorlu ortamlarda ek koruma sağlamak için ek muhafazaları da olacaktır.Boncuk termistörleri radyal/SMD termistörlerden daha hızlı tepki süresine sahiptir.Ancak onlar kadar dayanıklı değiller.Bu nedenle kullanılan termistörün türü, son uygulamaya ve termistörün bulunduğu ortama bağlıdır.Bir termistörün uzun vadeli stabilitesi, 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 doğrulukta gelir.Standart termistörler tipik olarak 0,5°C ila 1,5°C arasında bir doğruluğa sahiptir.Termistör direnç derecesi ve beta değerinin (25°C ila 50°C/85°C oranı) bir toleransı vardır.Termistörün beta değerinin üreticiye göre değiştiğini unutmayın.Örneğin, farklı üreticilerin 10 kΩ NTC termistörleri farklı beta değerlerine sahip olacaktır.Daha doğru sistemler için Omega™ 44xxx serisi gibi termistörler kullanılabilir.0°C ila 70°C sıcaklık aralığında 0,1°C veya 0,2°C doğruluğa sahiptirler.Bu nedenle, ölçülebilen sıcaklık aralığı ve bu sıcaklık aralığında gereken doğruluk, termistörlerin bu uygulama için uygun olup olmadığını belirler.Omega 44xxx serisinin doğruluğu ne kadar yüksek olursa maliyetin de o kadar yüksek olacağını lütfen unutmayın.
Direnci Celsius derecesine dönüştürmek için genellikle beta değeri kullanılır.Beta değeri, iki sıcaklık noktasının ve her sıcaklık noktasında 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 sayfası, 25°C'de direnç toleransı ve beta değeri toleransıyla birlikte bir beta değerini listeler.
Omega 44xxx serisi gibi daha yüksek hassasiyetli termistörler ve yüksek hassasiyetli sonlandırma çözümleri, direnci Celsius derecesine dönüştürmek için Steinhart-Hart denklemini kullanır.Denklem 2, yine sensör üreticisi tarafından sağlanan üç sabit 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
Şek.Şekil 3, sensörün mevcut uyarımını gösterir.Tahrik akımı termistöre uygulanır ve aynı akım hassas rezistöre de uygulanır;ölçüm için referans olarak hassas bir direnç kullanılır.Referans direncinin değeri, termistör direncinin en yüksek değerinden büyük veya ona eşit olmalıdır (sistemde ölçülen en düşük sıcaklığa bağlı olarak).
Uyarma akımını seçerken termistörün maksimum direnci tekrar dikkate alınmalıdır.Bu, sensör ve referans direnci arasındaki voltajın her zaman elektronik cihazlar için kabul edilebilir bir seviyede olmasını sağlar.Alan akımı kaynağı bir miktar boşluk veya çıkış uyumu gerektirir.Termistörün ölçülebilir en düşük sıcaklıkta yüksek direnci varsa, bu durum çok düşük bir tahrik akımıyla sonuçlanacaktır.Bu nedenle yüksek sıcaklıkta termistör üzerinde üretilen voltaj küçüktür.Bu düşük seviyeli sinyallerin ölçümünü optimize etmek için programlanabilir kazanç aşamaları kullanılabilir.Bununla birlikte, termistörden gelen sinyal seviyesi sıcaklıkla büyük ölçüde değiştiği için kazancın dinamik olarak programlanması gerekir.
Başka bir seçenek de kazancı ayarlamak ancak dinamik sürücü akımını kullanmaktır.Bu nedenle, termistörden gelen sinyal seviyesi değiştikçe sürücü akım değeri dinamik olarak değişir, böylece termistör boyunca geliştirilen voltaj, elektronik cihazın belirtilen giriş aralığı dahilinde olur.Kullanıcı, referans direnci üzerinde geliştirilen voltajın da elektronik cihazlar tarafından kabul edilebilir bir seviyede olduğundan emin olmalıdır.Her iki seçenek de elektroniklerin sinyali ölçebilmesi için yüksek düzeyde kontrol ve termistördeki voltajın sürekli izlenmesini gerektirir.Daha kolay bir seçenek var mı?Gerilim uyarımını düşünün.
Termistöre DC voltajı uygulandığında, termistörün direnci değiştikçe termistörden geçen akım otomatik olarak ölçeklenir.Artık referans direnç yerine hassas ölçüm direnci kullanarak, bunun amacı termistörden akan akımı hesaplamak ve böylece termistör direncinin hesaplanmasına olanak sağlamaktır.Sürücü voltajı aynı zamanda ADC referans sinyali olarak da kullanıldığından kazanç aşamasına gerek yoktur.İşlemcinin termistör voltajını izleme, sinyal seviyesinin elektronik cihazlar tarafından ölçülüp ölçülemeyeceğini belirleme ve hangi sürücü kazancı/akım değerinin ayarlanması gerektiğini hesaplama görevi yoktur.Bu makalede kullanılan yöntem budur.
Termistörün direnç değeri ve direnç aralığı küçükse voltaj veya akım uyarımı kullanılabilir.Bu durumda sürücü akımı ve kazancı sabitlenebilir.Böylece devre Şekil 3'teki gibi olacaktır. Bu yöntem, düşük güçlü uygulamalarda değerli olan sensör ve referans direnci üzerinden akımın kontrol edilebilmesi açısından uygundur.Ayrıca termistörün kendiliğinden ısınması da en aza indirilir.
Düşük direnç değerlerine sahip termistörler için voltaj uyarımı da kullanılabilir.Ancak kullanıcı, sensörden geçen akımın sensör veya uygulama için çok yüksek olmadığından daima emin olmalıdır.
Gerilim uyarımı, büyük direnç derecesine ve geniş sıcaklık aralığına sahip bir termistör kullanıldığında uygulamayı basitleştirir.Daha büyük nominal direnç, kabul edilebilir bir nominal akım seviyesi sağlar.Ancak tasarımcıların, uygulamanın desteklediği tüm sıcaklık aralığı boyunca akımın kabul edilebilir bir seviyede olmasını sağlamaları gerekir.
Sigma-Delta ADC'ler, bir termistör ölçüm sistemi tasarlanırken çeşitli avantajlar sunar.Birincisi, sigma-delta ADC analog girişi yeniden örneklediği için harici filtreleme minimumda tutulur ve tek gereksinim basit bir RC filtresidir.Filtre tipinde ve çıkış baud hızında esneklik sağlarlar.Şebekeden güç alan cihazlardaki parazitleri bastırmak için dahili dijital filtreleme kullanılabilir.AD7124-4/AD7124-8 gibi 24 bit aygıtlar 21,7 bit'e kadar tam çözünürlüğe sahiptir, dolayısıyla yüksek çözünürlük sağlarlar.
Sigma-delta ADC'nin kullanılması termistör tasarımını büyük ölçüde basitleştirirken teknik özellikleri, sistem maliyetini, kart alanını ve pazara sunma süresini azaltır.
Bu makalede ADC olarak AD7124-4/AD7124-8 kullanılmaktadır çünkü bunlar düşük gürültülü, düşük akımlı, yerleşik PGA'lı, yerleşik referanslı, analog girişli ve referans arabellekli hassas ADC'lerdir.
Sürücü akımı veya sürücü voltajı kullanmanıza bakılmaksızın referans voltajının ve sensör voltajının aynı sürücü kaynağından geldiği oranmetrik bir konfigürasyon önerilir.Bu, uyarma kaynağındaki herhangi bir değişikliğin ölçümün doğruluğunu etkilemeyeceği anlamına gelir.
Şek.Şekil 5, termistör ve hassas direnç RREF için sabit tahrik akımını göstermektedir; RREF boyunca geliştirilen voltaj, termistörün ölçümü için referans voltajdır.
Alan akımının doğru olması gerekmez ve alan akımındaki herhangi bir hata bu konfigürasyonda ortadan kaldırılacağından daha az kararlı olabilir.Sensör uzak konumlara yerleştirildiğinde, üstün hassasiyet kontrolü ve daha iyi gürültü bağışıklığı nedeniyle genel olarak akım uyarımı, voltaj uyarımına tercih edilir.Bu tür önyargı yöntemi genellikle RTD'ler veya düşük direnç değerlerine sahip termistörler için kullanılır.Bununla birlikte, daha yüksek direnç değerine ve daha yüksek hassasiyete sahip bir termistör için, her sıcaklık değişiminin ürettiği sinyal seviyesi daha büyük olacaktır, bu nedenle gerilim uyarımı kullanılır.Örneğin, 10 kΩ'luk bir termistörün 25°C'de 10 kΩ direnci vardır.-50°C'de NTC termistörünün direnci 441,117 kΩ'dur.AD7124-4/AD7124-8 tarafından sağlanan minimum 50 µA sürücü akımı, 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V üretir; bu, çok yüksektir ve bu uygulama alanında kullanılan çoğu ADC'nin çalışma aralığının dışındadır.Termistörler de genellikle elektronik aksamın yanına bağlanır veya konumlandırılır, dolayısıyla tahrik akımına karşı bağışıklık gerekli değildir.
Gerilim bölücü devre olarak seri olarak bir algılama direnci eklemek, termistörden geçen akımı minimum direnç değeriyle sınırlayacaktır.Bu konfigürasyonda, algılama direnci RSENSE'nin değeri, 25°C referans sıcaklığındaki termistör direncinin değerine eşit olmalıdır, böylece çıkış voltajı, nominal sıcaklığındaki referans voltajının orta noktasına eşit olacaktır. 25°CC Benzer şekilde, 25°C'de 10 kΩ dirençli 10 kΩ termistör kullanılırsa RSENSE 10 kΩ olmalıdır.Sıcaklık değiştikçe, NTC termistörünün direnci de değişir ve tahrik voltajının termistör üzerindeki oranı da değişir, bu da çıkış voltajının NTC termistörünün direnciyle orantılı olmasına neden olur.
Termistöre ve/veya RSENSE'e güç sağlamak için kullanılan seçilen voltaj referansı, ölçüm için kullanılan ADC referans voltajıyla eşleşirse sistem oranmetrik ölçüme (Şekil 7) ayarlanır, böylece uyarma ile ilgili herhangi bir hata voltaj kaynağı ortadan kaldırılacak şekilde ayarlanacaktır.
Her iki değişken de tüm sistemin doğruluğunu etkileyebileceğinden, algılama direncinin (voltajla çalıştırılan) veya referans direncinin (akımla çalıştırılan) düşük bir başlangıç toleransına ve düşük sapmaya sahip olması gerektiğini unutmayın.
Birden fazla termistör kullanıldığında, bir uyarma voltajı kullanılabilir.Bununla birlikte, her bir termistörün şekil 2'de gösterildiği gibi kendi hassas algılama direncine sahip olması gerekir.8. Diğer bir seçenek de açık durumda harici bir çoklayıcı veya düşük dirençli bir anahtar kullanmaktır; bu, bir hassas algılama direncinin paylaşılmasına olanak tanır.Bu konfigürasyonla, her termistörün ölçüldüğünde bir miktar yerleşme süresine ihtiyacı vardır.
Özetle, termistör bazlı bir sıcaklık ölçüm sistemi tasarlarken dikkate alınması gereken birçok soru vardır: sensör seçimi, sensör kablolaması, bileşen seçimi değişimleri, ADC konfigürasyonu ve bu çeşitli değişkenlerin sistemin genel doğruluğunu nasıl etkilediği.Bu serideki bir sonraki makalede, hedef performansınıza ulaşmak için sistem tasarımınızı ve genel sistem hata bütçenizi nasıl optimize edebileceğiniz açıklanmaktadır.
Gönderim zamanı: 30 Eylül 2022