Как выбрать термистор ntc для блока питания
Обновлено: 02.07.2024
В момент включения цепи питания энергия внешнего источника питания сначала передается на конденсатор входного фильтра. Этот момент генерирует большой импульсный ток, если его не ограничить, легко повредить предохранитель и последующие диоды выпрямителя и другие периферийные электронные компоненты. Поэтому при схемотехнике нужно учитывать, как ограничить пусковой ток. В этой статье мы сначала расскажем, как использовать термистор NTC для ограничения пускового тока, затем как выбрать термистор NTC и, наконец, как использовать реле для дальнейшего снижения энергопотребления термистора NTC.
NTC (отрицательный температурный коэффициент) Термистор — это термистор, который имеет отрицательный температурный коэффициент с уменьшающейся экспоненциальной зависимостью с повышением температуры.
На рисунке 1 ниже показана передняя часть типичной цепи питания переменного/постоянного тока. На рисунке Z1 — термистор NTC. Этот резистор действует как защита от мгновенного ограничения тока, когда источник питания находится под напряжением.
Момент включения цепи питания можно рассматривать как процесс зарядки конденсатора фильтра (С1, С2 на рис. 1 ниже). Величину импульсного тока можно оценить, разделив напряжение на эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора фильтра.
Чем больше значение тока, тем больше разрушительная сила окружающих цепей.
Чтобы решить эту проблему, проще всего добавить термистор NTC (Z1 на рис. 1 ниже), чтобы уменьшить величину импульсного тока. Импульсное сопротивление в момент включения питания эквивалентно напряжению, деленному на сумму эквивалентного последовательного сопротивления термистора NTC и конденсатора фильтра.
Например, если вы используете термистор с отрицательным температурным коэффициентом 10 Ом при 25 °C, предполагая, что эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора фильтра равно 1 Ом, пусковой ток уменьшится примерно до одной десятой. Видно, что чем больше сопротивление термистора NTC, тем лучше эффект ограничения пускового тока.
Рисунок 1, передняя часть силовой цепи переменного/постоянного тока
Конечно, значение сопротивления термистора NTC не тем больше, чем лучше. Чем больше сопротивление, тем больше потребляемая мощность. Термистор NTC с отрицательным температурным коэффициентом хорошо сочетается с ограничением пускового тока и потребляемой мощности.
Для цепи питания мощностью 100 Вт предположим, что термистор NTC 10 Ом работает при температуре 25°C. Термистор NTC будет иметь потери мощности около 2 Вт, когда питание включено и температура окружающей среды составляет 25 °C:
По мере прохождения тока через термистор NTC температура постепенно повышается. Если предположить, что термистор NTC нагрет до 85 °C, сопротивление упадет примерно до 2 Ом, а потери на термисторе NTC упадут примерно до 0,4 Вт. Как показано ниже
Как выбрать термистор NTC?
На веб-сайте YAXUN указан ряд параметров термистора NTC, где «омическое значение 25 °C» и значение B являются двумя важными параметрами. «Омическое значение 25 °C» определяет способность термистора NTC ограничивать ток в момент включения цепи питания. По значению B можно рассчитать сопротивление термистора NTC до конечной температуры.
Термистор YAXUN NTC
Так как же выбрать и рассчитать B? Диапазон значений B (K) — это тепловой индекс термистора с отрицательным температурным коэффициентом, отражающий изменение сопротивления между двумя температурами.
Определяется как отношение разницы между натуральным логарифмом значения сопротивления при нулевой мощности при двух температурах и разностью между величиной, обратной этой температуре.
Из приведенного выше уравнения R1 и R2 представляют собой значения сопротивления (Ом) при абсолютных температурах T1 и T2 соответственно. Среди них B0/50, B25/50, B25/75, B25/85 и B25/100 соответствуют значениям B между разными температурами.
Если мы хотим, чтобы сопротивление составляло 10 Ом при 25 °C, сопротивление составляет 2 Ом при температуре 85 °C, и можно получить приведенное выше уравнение. Для значения B требуется 2864 КБ или больше.
Наконец, всесторонний скрининг, быстро найденный EPCOS (TDK) B57234S0100M000 B, значение 3060K, 25 °C 10, мощность 3,2 Вт, в основном соответствует требованиям.
Что я должен сделать, чтобы еще больше снизить потери на NTC?
Для некоторых приложений снижение энергопотребления особенно важно, а потеря мощности на термисторах NTC не является незначительной.
Реле можно подключить параллельно термистору NTC, чтобы снизить энергопотребление термистора NTC. Как показано ниже, Vaa — это цифровой/аналоговый источник питания для последующих цепей, которые преобразуют переменный ток в постоянный, например, 5 В/12 В.
Реле изначально отключено. Когда Vaa постепенно достигает своего собственного напряжения, включается стабилитрон D1, открывается транзистор Q1 и закрывается реле RY1, что эквивалентно короткому замыканию токоограничивающего термистора NTC Z1.
Конечно, здесь также можно использовать обычный резистор вместо термистора NTC, который будет действовать как токоограничивающий резистор. В случае использования обычных резисторов в сочетании с реле сопротивление более стабильно без температуры, а эффект ограничения тока более стабилен.
Для некоторых недорогих цепей питания с низким энергопотреблением часто используются термисторы NTC для ограничения пускового тока. Для цепей питания средней/высокой мощности и приложений, где эффективность преобразования энергии имеет решающее значение, можно использовать реле для дальнейшего снижения рассеиваемой мощности на термисторах NTC.
Реле питания YAXUN
YAXUN больше различных вариантов реле
В момент включения цепи питания энергия внешнего источника питания сначала передается на конденсатор входного фильтра. Термистор NTC можно использовать для ограничения пускового тока при одновременном снижении сопротивления при повышении температуры, что снижает энергопотребление самого термистора NTC.
Наконец, периферийные схемы, такие как реле, могут использоваться для дальнейшего снижения рассеиваемой мощности термистора NTC в качестве токоограничивающего резистора.
Сегодня многие приложения, включая промышленное оборудование, электроинструменты и другое сильноточное оборудование, используют ограничение пускового тока в качестве основного конструктивного решения для борьбы с проблематичными последствиями пускового тока. Пусковой ток возникает, когда система включается и испытывает скачок тока. Этот ток может быть значительно выше стандартного рабочего тока. При неправильном управлении это может сократить эффективный срок службы и привести к повреждению оборудования. Например, пусковой ток может вывести из строя охлаждающий вентилятор, что в конечном итоге приведет к полному отказу системы.
Применения, которые быстро включаются и выключаются, например сварочное оборудование, требуют ограничения пускового тока. Цепь ограничения пускового тока должна мгновенно сбрасываться при каждом включении питания для защиты системы. Это еще больше усложняет управление пусковым током.
Обзор пускового тока
При включенном питании может возникать высокий пусковой ток, так как конденсатор цепи блока питания гасит пульсации выходного тока. Этот конденсатор действует как короткое замыкание, вызывая бросок тока. Пуск продолжается до тех пор, пока конденсатор не зарядится. Длина пускового тока зависит от источника питания и промежуточного конденсатора.
Низкое внутреннее сопротивление блока питания усугубляет эту проблему. Любое сопротивление в источнике питания приводит к неэффективности из-за нагрева. Чтобы минимизировать сопротивление, инженеры обычно используют индуктивную нагрузку. Хотя это повышает общую эффективность работы источника питания, отсутствие сопротивления позволяет пусковому току проходить в основную систему при включении источника питания.
Временное введение высокого сопротивления между источником питания и системой при включении ограничивает пусковой ток.Сопротивление отключается, когда первоначальный выброс тока при включении питания достигает завершения.
Ограничение на основе NTC
Для многих систем термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) может эффективно ограничивать пусковой ток. Термистор NTC обеспечивает переменное сопротивление в зависимости от его температуры. Размещение термистора NTC между источником питания и системой ограничивает пусковой ток (см. рис. 1). Сначала начальная температура термистора NTC низкая, что обеспечивает высокое сопротивление. Когда система включена, она активирует термистор NTC, вызывая повышение температуры и, следовательно, снижение сопротивления. Когда сопротивление падает до низкого значения, ток проходит, не оказывая отрицательного влияния на нормальную работу или энергоэффективность.
Ограничители пускового тока обычно устанавливаются в точках A и B или C и D и, в зависимости от приложений, иногда только в точках A или C.
Рисунок 1:
Ограничительная схема на основе NTC
Для ограничения пускового тока между источником питания и системой размещается термистор NTC (см. рис. 1). При включении термистор NTC обеспечивает высокое сопротивление для ограничения пускового тока. Когда пусковой ток падает, термистор NTC самонагревается, а его сопротивление падает до достаточно низкого значения для пропускания тока.
Наши термисторы можно найти по адресу:
Например, рассмотрим систему с постоянным током 10 А и пусковым током 100 А. При включении питания термистор NTC MS32 100 15 имеет начальное сопротивление 10 Ом. Вместо 100 А NTC MS32 100 15 пропускает только 35 А. Затем, когда NTC MS32 100 15 самонагревается, его сопротивление падает и ток снижается до тех пор, пока пусковой ток не прекратится. NTC MS32 100 15 по-прежнему продолжает нагреваться, снижая сопротивление до 0,05 Ом, когда он достигает устойчивого состояния и пропускает ток с минимальной потерей эффективности.
Ограничение на основе NTC имеет несколько преимуществ по сравнению со схемой ограничения перенапряжения, в которой используется постоянный резистор и схема обхода. Схема на основе NTC обычно занимает половину площади платы постоянного резистора. Он также имеет очень простые критерии выбора для проектирования схемы. Поскольку сопротивление падает по мере самонагрева, обходная цепь не требуется для отключения ограничивающей цепи. Наконец, схема на основе NTC имеет меньшую общую стоимость по сравнению с ограничением на основе постоянного резистора.
Ограничение на основе PTC
Термисторы NTC являются наиболее часто используемыми ограничителями. Они имеют широкий спектр использования и применения. Однако существует несколько сценариев, требующих положительного температурного коэффициента (PTC). Если система соответствует одному из перечисленных ниже исключений, термистор PTC — лучший выбор.
Исключения
- Температура окружающей среды выше комнатной: если температура окружающей среды уже высока, сопротивление термистора NTC будет ниже при включении системы. Это более низкое сопротивление уменьшит ограничивающие возможности термистора NTC и может поставить систему под угрозу.
- Температура окружающей среды ниже комнатной: если температура окружающей среды уже низкая, сопротивление термистора NTC будет очень высоким. Высокое сопротивление может ограничить весь ток и помешать фактическому включению системы даже после окончания первоначального пускового тока.
- Время сброса должно быть близким к нулю: некоторые типы оборудования, такие как сварочное оборудование или плазменный резак, часто включаются и выключаются в процессе своей нормальной работы. Это создает несколько экземпляров пускового тока. Ограничение на основе NTC основано на характере термистора NTC к самонагреву и снижению его сопротивления. Однако, когда система быстро выключается, а затем снова включается, термистор NTC может не полностью остыть. Термистору NTC требуется время, чтобы высвободить тепло и сбросить его, в зависимости от размера и массы термистора NTC. Если термистор NTC не успел остыть, его сопротивление будет ниже при повторном включении системы, что снизит его способность выдерживать пусковой ток и защищать систему.
- Короткое замыкание. Короткое замыкание снижает внутреннее сопротивление системы почти до нуля, быстро увеличивая ток, потребляемый системой от источника питания. Поскольку термистор NTC ограничивает этот ток, его температура быстро увеличивается, что снижает его сопротивление. Это позволяет большему току протекать, пока он не может повредить систему. Сильный ток короткого замыкания также может разрушить термистор NTC.
Анализ ограничений на основе PTC
В предыдущих сценариях термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC) может обеспечить эффективную защиту от пускового тока. Термистор PTC работает противоположно термистору NTC: с повышением температуры его сопротивление увеличивается. Сопротивление начинает быстро увеличиваться при температуре Кюри (Tc). Например, на рисунке 2 показано поведение термистора PTC MCL20 500 100 по сравнению с термистором NTC. При Tc сопротивление быстро возрастает. При низких температурах сопротивление остается постоянным.
Рисунок 2:
Сопротивление термистора NTC падает по мере его самонагрева, а сопротивление термистора PTC MCL20 500 100 увеличивается. При определенном пороге, 120 °C для PTC MCL20 500 100, сопротивление резко возрастает, что позволяет PTC MCL20 500 100 быстро реагировать на пусковой ток. Также обратите внимание на то, что PTC MCL20 500 100 имеет ровную характеристику при низких температурах, что делает его эффективным во всем температурном диапазоне.
Компромисс термистора PTC
При разработке схемы ограничения на основе PTC приходится идти на некоторые компромиссы. Термистор PTC стоит примерно в 1,5 раза больше, чем термистор NTC. Кроме того, для ограничения на основе PTC требуется активная цепь для обхода термистора PTC, чтобы предотвратить отключение всей системы. По мере увеличения сопротивления он ограничивает входящий ток. Это происходит даже после того, как пусковой ток упал до нормального уровня.
Обходная цепь активна при включении питания в течение заданного интервала времени, обычно в 3 или 4 раза превышающего время, необходимое для стабилизации пускового тока (см. рис. 3). Затем схема байпаса отключается и посылает ток обратно через термистор PTC для защиты системы от коротких замыканий. Если бы схема байпаса всегда срабатывала от высокого тока, то схема ограничения не обеспечивала бы защиты при коротком замыкании. В целом повышенная скорость реагирования и улучшенная защита перевешивают дополнительную сложность и стоимость схемы обхода.
Рисунок 3:
Полная схема ограничения на основе PTC с обходной схемой
Для схемы ограничения на основе PTC требуется схема байпаса для направления тока обратно через термистор PTC для защиты системы от коротких замыканий. Установив байпас в 3 или 4 раза больше, чем требуется для стабилизации пускового тока, время отклика ограничителя на основе PTC становится чрезвычайно быстрым.
Заключение
Термисторы NTC ограничивают пусковой ток, обеспечивая последовательное сопротивление в момент включения устройства. Они также являются наиболее часто используемыми термисторами, поскольку подходят для широкого спектра оборудования. Однако в некоторых сценариях могут потребоваться термисторы PTC. Эти термисторы останавливают пусковой ток, обеспечивая высокое сопротивление при высоких температурах. Примеры включают промышленное оборудование, электроинструменты и другие системы быстрого переключения (см. Таблицу 1). В этих случаях термисторы PTC обеспечивают экономичную защиту и превосходную реакцию. К другим преимуществам относятся: почти нулевое время сброса, возможность работы в экстремальных температурных условиях и эффективность при ограничении сильного тока от коротких замыканий.
Таблица сравнения NTC и PTC
Таблица 1:
Ограничение пускового тока на основе PTC обеспечивает множество преимуществ по сравнению с фиксированным ограничением или ограничением на основе NTC для таких приложений, как быстрое переключение и сильноточное промышленное оборудование и электроинструменты.
Это статья из серии наших статей, в которых мы обсуждали пусковой ток. Мы уже рассмотрели основы пускового тока и различные типы схем защиты от бросков тока в наших предыдущих статьях. Наиболее распространенным методом защиты от пускового тока является использование термистора NTC, поэтому в этой статье мы обсудим больше о термисторе NTC и о том, как его использовать для предотвращения пускового тока в ваших проектах. Этот тип схемы ограничителя пускового тока NTC обычно можно найти в блоках питания, таких как преобразователи переменного тока в постоянный или схемы SMPS. Наряду с защитой от пускового тока разработчики также включают в свои конструкции множество других типов схем защиты; мы уже рассмотрели различные схемы защиты, такие как:
Простая экономичная схема защиты от пускового тока
Хотя NTC является широко используемым методом борьбы с пусковым током, возникающим из-за высокой входной емкости нагрузки.Более традиционный и простой метод заключается в последовательном подключении постоянного резистора между нагрузкой и входным источником питания. Давайте быстро рассмотрим этот метод, чтобы понять его недостатки, которые привели к популярности NTC. Рассмотрим изображение ниже, где резистор подключен последовательно между источником питания и нагрузкой.
Приведенную выше схему можно найти в недорогом импульсном блоке питания или модуле питания. Это нормальный и дешевый способ борьбы с пусковым током. Поскольку резистор используется в качестве основного компонента для управления входом, он действует как ограничитель пускового тока, но это неправильный способ подключения сильноточной нагрузки к источнику питания. Почему?
Очевидно, что резистор блокирует пусковой ток, но также препятствует нормальному протеканию тока в нормальном состоянии цепи. Поэтому, поскольку значение резистора фиксировано, постоянный ток, протекающий через резистор, будет рассеивать огромное количество энергии, что повлияет на общую эффективность схемы.
Хуже всего то, что если цепь нагрузки потребляет огромное количество энергии, ток, протекающий через резистор, увеличится, мощность, рассеиваемая на этом резисторе, также увеличится, и в конечном итоге эффективность снизится. Чем больше и больше мощности необходимо рассеивать на резисторе, тем больше требуется резистор большей мощности для удовлетворения требований по мощности. Не говоря уже о том, что теперь стало ясно, что использование резистора в качестве ограничителя пускового тока в цепи высокой мощности не является хорошим выбором.
Но что, если специальный тип резистора, который может обеспечить высокое сопротивление в начальном состоянии цепи и обеспечить низкое сопротивление в нормальном состоянии цепи, эффективность, очевидно, увеличится, а рассеиваемая мощность будет минимальной. Это именно то, что делает NTC. NTC обеспечивает высокое сопротивление при запуске и низкое сопротивление при нормальном состоянии цепи.
Как использовать NTC для пускового тока
Как мы уже обсуждали ранее, NTC — это резистивный компонент особого типа, который обеспечивает высокое сопротивление в начальном состоянии, но низкое сопротивление в нормальном состоянии цепи.
NTC означает отрицательный температурный коэффициент. Она имеет прямую зависимость между температурой и сопротивлением. Если температура немного повышается, сопротивление значительно уменьшается. Это полезная функция для ограничения пускового тока. Во время первого включения питания, когда нагрузка впервые получает питание от источника питания, NTC действует как высокое сопротивление при нормальной температуре окружающей среды, тем самым эффективно блокируя пусковой ток в цепи.
После очень короткого промежутка времени, когда большой ток протекает через NTC, внутренняя температура NTC немного увеличивается и в конечном итоге влияет на сопротивление. Сопротивление уменьшается значительно ниже и делает прямой путь с нагрузкой и источником питания. Поскольку в нормальном рабочем состоянии сопротивление низкое, рассеиваемая мощность будет ниже, а эффективность также улучшится.
Цепь ограничения пускового тока NTC
Как правило, когда емкостная нагрузка большого значения подключается к источнику питания, NTC добавляется между положительными линиями блока питания.
Но в случае блока питания переменного тока или SMPS, NTC подключается в горячую линию перед диодом мостового выпрямителя. Мы уже сделали несколько SMPS или цепей питания, в которых используется NTC и ограничитель пускового тока.
Выбор правильного значения NTC
Расчет для выбора ограничителя пускового тока заключается в определении пикового напряжения и пикового тока. Поскольку NTC является резистором, закона Ома достаточно, чтобы учесть значение сопротивления NTC.
Согласно закону Ома, R = V/I, и это справедливо и для этого случая. Сопротивление NTC = Пиковое напряжение / Пиковый пусковой ток. Например, при 230 В переменного тока среднеквадратичное значение V может составлять 300 В. При этом Vrms и для блокировки 30 А пикового пускового тока требуется 10 Ом NTC.
Тестирование цепи ограничителя пускового тока NTC
Для оценки влияния пускового тока к блоку питания подключается емкостная нагрузка. Тестирование проводится на макетной плате вместе с 10-омным NTC. Схема показана на изображении ниже.
Резистор R1 используется в качестве шунтирующего резистора для расчета пикового тока. При протекании тока через резистор произойдет падение напряжения. К этому резистору подключен дополнительный осциллограф для проверки падения напряжения на резисторе, как показано ниже
Падение напряжения можно снова определить с помощью закона Ома, где ток = напряжение / сопротивление. В нашем случае мы использовали резистор 1 Ом, поэтому ток 1 А, протекающий через этот резистор, вызовет падение напряжения на 1 В. NTC подключается к положительной линии цепи.
Резистор R2 представляет собой нагрузочный резистор, предназначенный для быстрой разрядки конденсатора. Конденсатор представляет собой конденсатор общего назначения 100 мкФ 50 В. Поскольку пусковой ток протекает очень быстро и в течение короткого промежутка времени, используется функция триггера осциллографа.
После тестирования схемы без NTC пиковый ток, протекающий через резистор, показан на изображении ниже
Поскольку осциллограф настроен на 1 В на деление, пиковое напряжение составляет 4,2 В. Таким образом, регистрируется пиковый ток 4,2 А. Это пусковой ток, когда блок питания 9 В подключен к конденсатору 100 мкФ 50 В.
Итак, чтобы заблокировать это, 10-омный NTC подключен к положительному источнику питания цепи. Результат показан на изображении ниже –
Настройки осциллографа остались прежними, а также напряжение источника 9 В, как и раньше, но пиковый пусковой ток значительно уменьшился почти до 500 мА.
Подробное видео об эффекте пускового тока с NTC или без него можно увидеть в видео ниже. Следовательно, с помощью NTC можно эффективно подавлять пусковой ток при большой емкостной нагрузке. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или используйте наши форумы для других технических вопросов.
Термисторы (терморезисторы) представляют собой переменные резисторы, зависящие от температуры. Существует два типа термисторов: с положительным температурным коэффициентом (PTC) и с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Когда температура повышается, сопротивление термистора PTC увеличивается, а сопротивление термистора NTC уменьшается. Они демонстрируют противоположную реакцию при понижении температуры.
Оба типа термисторов используются в различных областях применения. Однако здесь основное внимание будет уделено использованию термисторов NTC для измерения температуры в приложениях на базе микроконтроллеров.
Технические характеристики термистора
Следующие параметры термистора NTC можно найти в паспорте производителя.
- Сопротивление
Это сопротивление термистора при температуре, указанной производителем, часто 25°C. - Допуск
Указывает, насколько сопротивление может отличаться от указанного значения. Обычно выражается в процентах (например, 1%, 10% и т. д.). Например, если указанное сопротивление при 25°C для термистора с допуском 10% составляет 10 000 Ом, то измеренное сопротивление при этой температуре может находиться в диапазоне от 9 000 до 11 000 Ом. - Константа B (или Бета).
Значение, представляющее соотношение между сопротивлением и температурой в заданном диапазоне температур. Например, «3380 25/50» означает бета-константу 3380 в диапазоне температур от 25°C до 50°C. - Допуск по бета-константам
Допуск по бета-константе в процентах. - Диапазон рабочих температур
Минимальная и максимальная рабочая температура термистора. - Тепловая постоянная времени
При изменении температуры время, необходимое для достижения 63% разницы между старой и новой температурами. - Постоянная теплового рассеяния
Термисторы подвержены самонагреву при пропускании тока.Это количество энергии, необходимое для повышения температуры термистора на 1°C. Он указывается в милливаттах на градус Цельсия (мВт/°C). Обычно рассеиваемая мощность должна поддерживаться на низком уровне для предотвращения самонагрева. - Максимально допустимая мощность
Максимально рассеиваемая мощность. Указывается в ваттах (Вт). Превышение этой спецификации приведет к повреждению термистора. - Таблица температур сопротивления
Таблица значений сопротивления и соответствующих температур в диапазоне рабочих температур термисторов. Термисторы работают в относительно ограниченном диапазоне температур, обычно от -50 до 300 °C, в зависимости от типа конструкции и покрытия.
Как и в случае с любым резистором, вы можете использовать настройку омметра на мультиметре для измерения сопротивления термистора. Значение сопротивления, отображаемое на мультиметре, должно соответствовать температуре окружающей среды рядом с термистором. Сопротивление изменится в ответ на изменение температуры.
Рисунок 1. Сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры.
На рис. 2 показана реакция термистора NTC в диапазоне температур от -40°C до 60°C. Из рисунка видно, что термисторы обладают высокой чувствительностью. Небольшое изменение температуры вызывает большое изменение сопротивления. Также обратите внимание, что отклик этого термистора не является линейным. То есть изменение сопротивления при заданном изменении температуры не является постоянным в диапазоне температур термистора.
Рисунок 2: Кривая температурного сопротивления термистора от -40°C до 60°C
Технический паспорт производителя включает список значений сопротивления термистора и соответствующих температур во всем диапазоне. Одним из решений, позволяющих справиться с такой нелинейной характеристикой, является включение в ваш код справочной таблицы, содержащей эти данные о термостойкости. После расчета сопротивления (будет описано позже) ваш код ищет в таблице соответствующую температуру.
Линеаризация отклика термистора
С аппаратной стороны вы можете линеаризовать реакцию термистора, поместив фиксированный резистор параллельно или последовательно с ним. Это улучшение будет достигнуто за счет некоторой точности. Значение резистора должно быть равно сопротивлению термистора в средней точке интересующего температурного диапазона.
Термистор – комбинация параллельных резисторов
На рис. 3 показана S-образная кривая температурного сопротивления, полученная при параллельном соединении резистора 10K с термистором, сопротивление которого равно 10K при 25°C. Это делает область кривой между 0°C и 50°C довольно линейной. Обратите внимание, что максимальная линейность достигается в средней точке при 25 °C.
Рисунок 3: Кривая температурного сопротивления комбинации термистора и параллельного резистора.
Комбинация термистор - последовательный резистор (делитель напряжения)
Обычно микроконтроллеры собирают аналоговые данные с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Вы не можете напрямую прочитать сопротивление термисторов с помощью АЦП. Комбинация термистор-резистор, показанная на рис. 4, представляет собой простое решение в виде делителя напряжения.
Рисунок 4. Термисторный делитель напряжения.
Вы используете следующую формулу для расчета выходного напряжения делителя напряжения:
Vo = Vs * (R0 / ( Rt + R0 ))
Линеаризованная кривая температура-напряжение на рис. 5 показывает изменение выходного напряжения делителя напряжения Vo в ответ на изменение температуры. Напряжение источника Vs равно 5 вольт, сопротивление термистора Rt равно 10 кОм при 25°C, а сопротивление последовательного резистора R0 равно 10 кОм. Подобно приведенной выше параллельной комбинации резистор-термистор, эта комбинация имеет максимальную линейность вокруг средней точки кривой, которая соответствует температуре 25 °C.
Рисунок 5: Кривая температура-напряжение.
Обратите внимание, что, поскольку Vs и R0 постоянны, выходное напряжение определяется Rt. Другими словами, делитель напряжения преобразует сопротивление термистора (и, следовательно, температуру) в напряжение. Идеально подходит для ввода в АЦП микроконтроллера.
Преобразование данных АЦП в температуру путем определения сопротивления термистора
Чтобы преобразовать данные АЦП в температуру, сначала нужно найти сопротивление термистора, а затем использовать его для определения температуры.
Вы можете изменить приведенное выше уравнение для делителя напряжения, чтобы найти сопротивление термистора Rt:
Rt = R0 * (( Vs / Vo ) - 1)
Если опорное напряжение АЦП (Vref) и напряжение источника делителя напряжения (Vs) совпадают, то верно следующее:
adcMax / adcVal = Vs / Vo
То есть отношение входного напряжения делителя напряжения к выходному напряжению такое же, как отношение значения полного диапазона АЦП (adcMax) к значению, возвращаемому АЦП (adcVal). Если вы используете 10-разрядный АЦП, то значение adcMax равно 1023.
Рисунок 6: Схема делителя напряжения и АЦП с общим опорным напряжением.
Теперь вы можете заменить отношение напряжений отношением значений АЦП в уравнении для определения Rt:
Rt = R0 * ((adcMax / adcVal) - 1)
Например, предположим термистор с сопротивлением 10 кОм при 25°C, 10-битный АЦП и adcVal = 366.
Rt = 10 000 * ((1023 / 366) – 1)
= 10 000 * (2,03)
= 17 951 Ом
После того как вы рассчитаете значение Rt, вы можете использовать справочную таблицу, содержащую данные о температурном сопротивлении для вашего термистора, чтобы найти соответствующую температуру. Расчетное сопротивление термистора в приведенном выше примере соответствует температуре примерно 10 °C.
9 18 670
10 17 926
11 17 214
Технические данные производителя могут не включать все значения термостойкости термистора, или у вас может не хватить памяти, чтобы включить все значения в справочную таблицу. В любом случае вам потребуется включить код для интерполяции между перечисленными значениями.
Прямым вычислением температуры
Кроме того, вы можете использовать уравнение, которое аппроксимирует кривую температурного отклика термисторов для расчета температуры. Например, широко используемое уравнение Стейнхарта-Харта показано ниже. Это не так точно, как данные производителя о сопротивлении-температуре. Однако, по сравнению с другими методами, он обеспечивает гораздо более точное приближение кривой отклика термистора во всем его рабочем диапазоне.
1/T = A + B*ln(R) + C*(ln(R))^3
Производитель может указывать значения коэффициентов A, B и C, а может и не указывать. В противном случае их можно получить, используя измеренные данные термостойкости. Однако это выходит за рамки данной статьи. Вместо этого мы будем использовать более простое уравнение параметра бета (или B), показанное ниже. Хотя оно и не так точно, как уравнение Стейнхарта-Харта, оно все же дает хорошие результаты в более узком диапазоне температур.
1/T = 1/T0 + 1/B * ln(R/R0)
Переменная T представляет собой температуру окружающей среды в градусах Кельвина, T0 обычно представляет собой комнатную температуру, а также в градусах Кельвина (25 °C = 298,15 K), B – бета-константа, R – сопротивление термистора при температуре окружающей среды (аналогично Rt выше), R0 — сопротивление термистора при температуре T0. Значения T0, B и R0 можно найти в паспорте производителя. Вы можете рассчитать значение для R, как описано ранее для Rt.
Если напряжение источника делителя напряжения и Vref совпадают, вам не нужно знать R0 или находить R для расчета температуры. Помните, что вы можете написать уравнение для сопротивления термистора в терминах отношения значений АЦП:
R = R0 * ( ( adcMax / adcVal ) - 1 )
1/T = 1/T0 + 1/B * ln( R0 * ((adcMax / adcVal) - 1) / R0)
R0 отменяется, остается:
1/T = 1/T0 + 1/B * ln( (adcMax / adcVal) – 1)
Возьмите обратную величину результата, чтобы получить температуру в Кельвинах.
Например, предположим, что термисторный делитель напряжения подключен к 10-разрядному АЦП. Бета-константа термистора равна 3380, сопротивление термистора (R0) при 25°C равно 10 кОм, а АЦП возвращает значение 366.
1/T = 1/298,15 + 1/3380 * ln((1023 / 366) - 1 )
1/T = 0,003527
T = 283,52K – 273,15K = 10,37°C< /p>
Пример: простой регистратор температуры на базе Arduino
На рис. 7 показан простой регистратор температуры, состоящий из Arduino Uno SBC и термисторного делителя напряжения (справа). Выход делителя напряжения подключен к внутреннему 10-битному АЦП Arduino через один из аналоговых контактов. Arduino получает значение АЦП, вычисляет температуру и отправляет ее на последовательный монитор для отображения.
Рисунок 7. Схема регистратора температуры Arduino.
В следующем скетче Arduino используется уравнение параметра B для расчета температуры. Функция getTemp выполняет большую часть работы. Он несколько раз считывает аналоговый вывод и усредняет значения АЦП. Затем он вычисляет температуру в градусах Кельвина, преобразует ее в градусы Цельсия и Фаренгейта и возвращает все три значения в основной цикл. Основной цикл неоднократно вызывает getTemp с двухсекундной задержкой между вызовами. Он отправляет значения температуры, возвращенные getTemp, на последовательный монитор.
Рис. 8. Скриншот выходных данных регистратора температуры.
Ошибка измерения и разрешение АЦП
Существует ряд факторов, которые могут способствовать возникновению ошибки измерения. Например, термистор и добавочные резисторы могут отличаться от своих номинальных значений (в пределах заданных допусков), или может быть ошибка из-за самонагрева термистора, или электрическая помеха может привести к колебаниям на входе АЦП[6].< /p>
- Измерьте последовательный резистор (R), чтобы получить фактическое сопротивление, и используйте это значение при расчете температуры.
- Аналогичным образом, если возможно, измерьте фактическое сопротивление (R0) термистора в точке T0 и используйте это значение в своих расчетах. Вам понадобится точный термометр, точный измеритель сопротивления и способ получения желаемой температуры.
- В качестве альтернативы вы можете выбрать термистор и резистор с более жесткими допусками, чтобы уменьшить ошибку до уровня, приемлемого для вашего приложения.
- Оказывается, бета-константа на самом деле не постоянна. Значение зависит от температуры и, как упоминалось ранее, обычно дается для определенного диапазона температур. Если вы можете получить точные значения сопротивления термистора при двух температурах в интересующем вас диапазоне (предпочтительно в конечных точках), вы можете использовать следующую формулу [2], чтобы найти фактическую бета-константу для вашего термистора.
В лучшем случае температура в приведенном выше примере точна с точностью до 0,1 °C. Это связано с ограничением разрешения АЦП.
АЦП не чувствителен к изменениям напряжения между шагами. Для 10-разрядного АЦП наименьшее изменение напряжения, которое можно измерить, равно Vref/1023. Это разрешение АЦП по напряжению. Если Vref равно 5 В, разрешение по напряжению равно 4,89 мВ. Предполагая, что T0 составляет 25°C, наименьшее изменение температуры, которое можно обнаружить при 25°C, составляет ±0,1°C. Это температурное разрешение при 25°C. Это означает, что изменение младшего значащего бита вызовет скачок отображаемой температуры на 0,1°C. Этот скачок связан с разрешением АЦП, а не с ошибкой измерения.
Читайте также: