Dan huwa l-ewwel artiklu f'serje f'żewġ partijiet. Dan l-artikolu l-ewwel jiddiskuti l-istorja u l-isfidi tad-disinn ta 'Temperatura bbażata fuq it-termistorSistemi ta 'kejl, kif ukoll il-paragun tagħhom ma' sistemi ta 'kejl tat-temperatura tar-reżistenza (RTD). Se jiddeskrivi wkoll l-għażla ta 'termistor, kompromessi ta' konfigurazzjoni, u l-importanza ta 'konvertituri analogi għal diġitali Sigma-delta (ADCs) f'din iż-żona ta' applikazzjoni. It-tieni artikolu għandu jiddettalja kif jista 'jottimizza u jevalwa s-sistema finali ta' kejl ibbażata fuq it-termistor.
Kif deskritt fis-serje ta 'artikli preċedenti, l-ottimizzazzjoni tas-sistemi tas-sensuri tat-temperatura RTD, RTD hija resister li r-reżistenza tagħha tvarja mat-temperatura. Thermistors jaħdmu bl-istess mod għal RTDs. B'differenza mill-RTDs, li għandhom biss koeffiċjent ta 'temperatura pożittiv, termistor jista' jkollu koeffiċjent ta 'temperatura pożittiv jew negattiv. Il-koeffiċjent negattiv tat-temperatura (NTC) it-termisturi jnaqqsu r-reżistenza tagħhom hekk kif titla 't-temperatura, filwaqt li t-termisturi tal-koeffiċjent tat-temperatura pożittiva (PTC) iżidu r-reżistenza tagħhom hekk kif titla' t-temperatura. Fuq Fig. 1 juri l-karatteristiċi ta 'rispons ta' termisturi tipiċi NTC u PTC u jqabbelhom ma 'kurvi RTD.
F'termini ta 'firxa ta' temperatura, il-kurva RTD hija kważi lineari, u s-senser ikopri firxa ta 'temperatura ferm usa' minn termistors (tipikament -200 ° C sa + 850 ° C) minħabba n-natura mhux lineari (esponenzjali) tat-termistor. L-RTDs huma ġeneralment ipprovduti fi kurvi standardizzati magħrufa, filwaqt li l-kurvi tat-termistor ivarjaw skont il-manifattur. Se niddiskutu dan fid-dettall fit-taqsima tal-Gwida għall-Għażla tat-Termistor ta 'dan l-artikolu.
It-termisturi huma magħmula minn materjali komposti, ġeneralment ċeramika, polimeri, jew semikondutturi (ġeneralment ossidi tal-metall) u metalli puri (platinu, nikil, jew ram). It-termisturi jistgħu jindividwaw bidliet fit-temperatura aktar malajr mill-RTDs, u jipprovdu feedback aktar mgħaġġel. Għalhekk, it-termisturi huma komunement użati minn sensuri f'applikazzjonijiet li jeħtieġu spiża baxxa, daqs żgħir, rispons aktar mgħaġġel, sensittività ogħla, u firxa ta 'temperatura limitata, bħal kontroll tal-elettronika, kontroll tad-dar u tal-bini, laboratorji xjentifiċi, jew kumpens tal-ġonta kiesħa għal termokoppji f'applikazzjonijiet kummerċjali jew industrijali. skopijiet. Applikazzjonijiet.
F'ħafna każijiet, it-termistors NTC jintużaw għal kejl preċiż tat-temperatura, mhux termistors PTC. Xi termisturi PTC huma disponibbli li jistgħu jintużaw f'ċirkwiti ta 'protezzjoni żejda jew bħala fjusis mill-ġdid għal applikazzjonijiet ta' sigurtà. Il-kurva tat-temperatura tar-reżistenza ta 'termistor PTC turi reġjun NTC żgħir ħafna qabel ma tilħaq il-punt tal-iswiċċ (jew il-punt Curie), li fuqhom ir-reżistenza titla' sew b'diversi ordnijiet ta 'kobor fil-firxa ta' diversi gradi Celsius. Taħt kundizzjonijiet ta 'kurrent żejjed, it-termistor PTC se jiġġenera tisħin innifsu qawwi meta tinqabeż it-temperatura tal-qlib, u r-reżistenza tagħha tiżdied sew, u dan inaqqas il-kurrent ta' input għas-sistema, u b'hekk jipprevjeni l-ħsara. Il-punt tal-qlib ta 'termisturi PTC huwa tipikament bejn 60 ° C u 120 ° C u mhux adattat għall-kontroll tal-kejl tat-temperatura f'firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet. Dan l-artikolu jiffoka fuq it-termisturi NTC, li tipikament jistgħu jkejlu jew jissorveljaw it-temperaturi li jvarjaw minn -80 ° C sa + 150 ° C. It-termistors NTC għandhom klassifikazzjonijiet ta 'reżistenza li jvarjaw minn ftit ohms sa 10 MΩ f'25 ° C. Kif muri fil-Fig. 1, il-bidla fir-reżistenza għal kull grad Celsius għal termisturi hija aktar evidenti milli għal termometri tar-reżistenza. Meta mqabbel mat-termistors, is-sensittività għolja tat-termistor u l-valur tar-reżistenza għolja jissimplifikaw iċ-ċirkwiti tal-input tiegħu, peress li t-termistors ma jeħtiġux konfigurazzjoni speċjali tal-wajers, bħal 3 wajers jew 4-wajers, biex jikkumpensaw għar-reżistenza taċ-ċomb. Id-disinn tat-termistor juża biss konfigurazzjoni ta '2 wajers sempliċi.
Kejl tat-temperatura bbażat fuq it-termistor ta 'preċiżjoni għolja jeħtieġ proċessar preċiż tas-sinjal, konverżjoni analoga għal diġitali, linearizzazzjoni, u kumpens, kif muri fil-Fig. 2.
Għalkemm il-katina tas-sinjal tista 'tidher sempliċi, hemm bosta kumplessitajiet li jaffettwaw id-daqs, l-ispiża, u l-prestazzjoni tal-motherboard kollha. Il-portafoll ADC ta 'preċiżjoni ta' ADI jinkludi bosta soluzzjonijiet integrati, bħalma huma l-AD7124-4 / AD7124-8, li jipprovdu numru ta 'vantaġġi għad-disinn tas-sistema termali peress li ħafna mill-blokki tal-bini meħtieġa għal applikazzjoni huma inkorporati. Madankollu, hemm diversi sfidi fit-tfassil u l-ottimizzazzjoni ta 'soluzzjonijiet ta' kejl tat-temperatura bbażati fuq it-termistor.
Dan l-artikolu jiddiskuti kull waħda minn dawn il-kwistjonijiet u jipprovdi rakkomandazzjonijiet biex issolvihom u jissimplifika aktar il-proċess tad-disinn għal sistemi bħal dawn.
Hemm varjetà wiesgħa ta 'Thermistors NTCFis-suq illum, għalhekk l-għażla tat-termistor it-tajjeb għall-applikazzjoni tiegħek tista 'tkun kompitu qarrieqi. Innota li t-termistors huma elenkati mill-valur nominali tagħhom, li hija r-reżistenza nominali tagħhom f'25 ° C. Għalhekk, termistor ta '10 kΩ għandu reżistenza nominali ta '10 kΩ f'25 ° C. It-termisturi għandhom valuri ta 'reżistenza nominali jew bażiċi li jvarjaw minn ftit ohms sa 10 MΩ. Thermistors bi klassifikazzjonijiet ta 'reżistenza baxxa (reżistenza nominali ta' 10 kΩ jew inqas) tipikament jappoġġjaw firxiet ta 'temperatura aktar baxxi, bħal -50 ° C sa + 70 ° C. Thermistors bi klassifikazzjonijiet ta 'reżistenza ogħla jistgħu jifilħu temperaturi sa 300 ° C.
L-element termistor huwa magħmul minn ossidu tal-metall. Thermistors huma disponibbli f'forom tal-ballun, radjali u SMD. Żibeġ termistor huma miksija bl-epossi jew ħġieġ inkapsulati għal protezzjoni miżjuda. Thermistors tal-ballun miksija bl-epossi, termistors radjali u tal-wiċċ huma adattati għal temperaturi sa 150 ° C. Thermistors taż-żibeġ tal-ħġieġ huma adattati għall-kejl ta 'temperaturi għoljin. It-tipi kollha ta 'kisi / imballaġġ jipproteġu wkoll kontra l-korrużjoni. Xi termistors se jkollhom ukoll housings addizzjonali għal protezzjoni miżjuda f'ambjenti ħorox. Thermistors taż-żibeġ għandhom ħin ta 'rispons aktar mgħaġġel minn termistors radjali / SMD. Madankollu, mhumiex daqshekk durabbli. Għalhekk, it-tip ta 'termistor użat jiddependi fuq l-applikazzjoni finali u l-ambjent li fih jinsab it-termistor. L-istabbiltà fit-tul ta 'termistor tiddependi fuq il-materjal, l-imballaġġ u d-disinn tiegħu. Pereżempju, termistor NTC miksi bl-epossi jista 'jinbidel 0.2 ° C fis-sena, filwaqt li termistor issiġillat jinbidel biss 0.02 ° C fis-sena.
Thermistors jiġu fi preċiżjoni differenti. Thermistors standard tipikament ikollhom eżattezza ta '0.5 ° C sa 1.5 ° C. Il-klassifikazzjoni tar-reżistenza għat-termistor u l-valur beta (proporzjon ta '25 ° C sa 50 ° C / 85 ° C) għandhom tolleranza. Innota li l-valur beta tat-termistor ivarja skont il-manifattur. Pereżempju, 10 kΩ Thermistors NTC minn manifatturi differenti se jkollhom valuri beta differenti. Għal sistemi aktar preċiżi, jistgħu jintużaw termistors bħas-serje OMEGA ™ 44XXX. Huma għandhom eżattezza ta '0.1 ° C jew 0.2 ° C fuq firxa ta' temperatura ta '0 ° C sa 70 ° C. Għalhekk, il-firxa ta 'temperaturi li jistgħu jitkejlu u l-eżattezza meħtieġa fuq dik il-firxa tat-temperatura tiddetermina jekk it-termistors humiex adattati għal din l-applikazzjoni. Jekk jogħġbok innota li iktar ma tkun għolja l-eżattezza tas-serje Omega 44XXX, iktar tkun għolja l-ispiża.
Biex tikkonverti r-reżistenza għal gradi Celsius, il-valur beta ġeneralment jintuża. Il-valur beta huwa determinat billi tkun taf iż-żewġ punti tat-temperatura u r-reżistenza korrispondenti f'kull punt tat-temperatura.
Rt1 = reżistenza għat-temperatura 1 rt2 = reżistenza għat-temperatura 2 t1 = temperatura 1 (k) t2 = temperatura 2 (k)
L-utent juża l-valur beta l-iktar viċin tal-firxa tat-temperatura użata fil-proġett. Il-biċċa l-kbira tal-iskedi tat-termistor jelenkaw valur beta flimkien ma 'tolleranza tar-reżistenza f'25 ° C u tolleranza għall-valur beta.
Thermistors ta 'preċiżjoni ogħla u soluzzjonijiet ta' terminazzjoni ta 'preċiżjoni għolja bħas-serje Omega 44XXX jużaw l-ekwazzjoni Steinhart-Hart biex tikkonverti r-reżistenza għal gradi Celsius. L-Ekwazzjoni 2 teħtieġ it-tliet kostanti A, B, u C, provduti mill-ġdid mill-manifattur tas-sensuri. Minħabba li l-koeffiċjenti ta 'l-ekwazzjoni huma ġġenerati bl-użu ta' tliet punti ta 'temperatura, l-ekwazzjoni li tirriżulta timminimizza l-iżball introdott mil-linearizzazzjoni (tipikament 0.02 ° C).
A, B u C huma kostanti derivati minn tliet punti tat-temperatura. R = Reżistenza tat-Termistor f'Ohms T = Temperatura f'K gradi
Fuq Fig. 3 juri l-eċċitazzjoni attwali tas-senser. Il-kurrent tas-sewqan huwa applikat fuq it-termistor u l-istess kurrent huwa applikat għar-resister ta 'preċiżjoni; Reżistenza għall-preċiżjoni tintuża bħala referenza għall-kejl. Il-valur tar-resister ta 'referenza għandu jkun ikbar minn jew daqs l-ogħla valur tar-reżistenza tat-termistor (skont l-inqas temperatura mkejla fis-sistema).
Meta tagħżel il-kurrent ta 'eċċitazzjoni, ir-reżistenza massima tat-termistor għandha terġa' titqies. Dan jiżgura li l-vultaġġ madwar is-senser u r-resister ta 'referenza huwa dejjem f'livell aċċettabbli għall-elettronika. Is-sors tal-kurrent tal-kamp jirrikjedi xi headroom jew tqabbil tal-ħruġ. Jekk it-termistor għandu reżistenza għolja fl-inqas temperatura li tista 'titkejjel, dan jirriżulta f'kurrent ta' sewqan baxx ħafna. Għalhekk, il-vultaġġ iġġenerat fit-termistor f'temperatura għolja huwa żgħir. Stadji ta 'qligħ programmabbli jistgħu jintużaw biex jottimizzaw il-kejl ta' dawn is-sinjali ta 'livell baxx. Madankollu, il-qligħ għandu jkun ipprogrammat b'mod dinamiku minħabba li l-livell tas-sinjal mit-termistor ivarja ħafna mat-temperatura.
Għażla oħra hija li tissettja l-qligħ iżda tuża kurrent ta 'sewqan dinamiku. Għalhekk, hekk kif il-livell tas-sinjal mit-termistor jinbidel, il-valur tal-kurrent tas-sewqan jinbidel b'mod dinamiku sabiex il-vultaġġ żviluppat fit-termistor ikun fil-firxa speċifikata tal-input tal-apparat elettroniku. L-utent għandu jiżgura li l-vultaġġ żviluppat fir-resister ta 'referenza huwa wkoll f'livell aċċettabbli għall-elettronika. Iż-żewġ għażliet jeħtieġu livell għoli ta 'kontroll, monitoraġġ kostanti tal-vultaġġ fit-termistor sabiex l-elettronika tkun tista' tkejjel is-sinjal. Hemm għażla aktar faċli? Ikkunsidra eċċitazzjoni tal-vultaġġ.
Meta l-vultaġġ DC jiġi applikat fuq it-termistor, il-kurrent permezz tat-termistor jitkabbar awtomatikament hekk kif tinbidel ir-reżistenza tat-termistor. Issa, bl-użu ta 'resister ta' kejl ta 'preċiżjoni minflok resister ta' referenza, l-iskop tiegħu huwa li tikkalkula l-kurrent li joħroġ mit-termistor, u b'hekk jippermetti li tiġi kkalkulata r-reżistenza tat-termistor. Peress li l-vultaġġ tas-sewqan jintuża wkoll bħala s-sinjal ta 'referenza ADC, ma huwa meħtieġ l-ebda stadju ta' qligħ. Il-proċessur m'għandux ix-xogħol li jimmonitorja l-vultaġġ tat-termistor, jiddetermina jekk il-livell tas-sinjal jistax jitkejjel mill-elettronika, u jikkalkula liema qligħ tas-sewqan / valur kurrenti jeħtieġ li jiġi aġġustat. Dan huwa l-metodu użat f'dan l-artikolu.
Jekk it-termistor għandu klassifikazzjoni ta 'reżistenza żgħira u firxa ta' reżistenza, vultaġġ jew eċċitazzjoni kurrenti tista 'tintuża. F'dan il-każ, il-kurrent tas-sewqan u l-qligħ jistgħu jiġu ffissati. Għalhekk, iċ-ċirkwit se jkun kif muri fil-Figura 3 Barra minn hekk, l-awto-tisħin tat-termistor huwa mminimizzat.
L-eċċitazzjoni tal-vultaġġ tista 'tintuża wkoll għal termisturi bi klassifikazzjonijiet ta' reżistenza baxxa. Madankollu, l-utent għandu dejjem jiżgura li l-kurrent permezz tas-senser ma jkunx għoli wisq għas-senser jew l-applikazzjoni.
L-eċċitazzjoni tal-vultaġġ tissimplifika l-implimentazzjoni meta tuża termistor bi klassifikazzjoni ta 'reżistenza kbira u firxa wiesgħa ta' temperatura. Reżistenza nominali akbar tipprovdi livell aċċettabbli ta 'kurrent nominali. Madankollu, id-disinjaturi għandhom bżonn jiżguraw li l-kurrent ikun f'livell aċċettabbli fuq il-firxa tat-temperatura kollha sostnuta mill-applikazzjoni.
Sigma-delta ADCs joffru bosta vantaġġi meta tfassal sistema ta 'kejl ta' termistor. L-ewwel, minħabba li l-ADC Sigma-Delta jerġa 'jsaħħaħ l-input analogu, il-filtrazzjoni esterna tinżamm għal minimu u l-uniku rekwiżit huwa filtru RC sempliċi. Huma jipprovdu flessibilità fit-tip tal-filtru u r-rata tal-baud tal-ħruġ. Iffiltrar diġitali inkorporat jista 'jintuża biex irażżan kwalunkwe interferenza f'apparat li jaħdem bil-mains. Apparati ta '24 bit bħal AD7124-4 / AD7124-8 għandhom riżoluzzjoni sħiħa ta 'sa 21.7 bits, u għalhekk jipprovdu riżoluzzjoni għolja.
L-użu ta 'sigma-delta ADC jissimplifika ħafna d-disinn tat-termistor filwaqt li jnaqqas l-ispeċifikazzjoni, l-ispiża tas-sistema, l-ispazju tal-bord, u l-ħin għas-suq.
Dan l-artikolu juża l-AD7124-4 / AD7124-8 bħala l-ADC minħabba li huma ħoss baxx, kurrent baxx, ADCs ta 'preċiżjoni b'PGA inkorporat, referenza inkorporata, input analogu, u buffer ta' referenza.
Irrispettivament minn jekk qed tuża l-kurrent tas-sewqan jew il-vultaġġ tas-sewqan, hija rrakkomandata konfigurazzjoni ratiometrika li fiha l-vultaġġ ta 'referenza u l-vultaġġ tas-senser jiġu mill-istess sors ta' sewqan. Dan ifisser li kwalunkwe bidla fis-sors ta 'eċċitazzjoni ma taffettwax l-eżattezza tal-kejl.
Fuq Fig. 5 juri l-kurrent kostanti tas-sewqan għat-termistor u r-resister ta 'preċiżjoni RREF, il-vultaġġ żviluppat madwar RREF huwa l-vultaġġ ta' referenza għall-kejl tat-termistor.
Il-kurrent tal-kamp m'għandux għalfejn ikun preċiż u jista 'jkun inqas stabbli peress li kwalunkwe żball fil-kurrent tal-kamp jiġi eliminat f'din il-konfigurazzjoni. Ġeneralment, l-eċċitazzjoni kurrenti hija preferuta fuq l-eċċitazzjoni tal-vultaġġ minħabba kontroll ta 'sensittività superjuri u immunità aħjar tal-ħoss meta s-senser jinsab f'postijiet remoti. Dan it-tip ta 'metodu ta' preġudizzju huwa tipikament użat għal RTDs jew termistors b'valuri ta 'reżistenza baxxa. Madankollu, għal termistor b'valur ta 'reżistenza ogħla u sensittività ogħla, il-livell tas-sinjal iġġenerat minn kull bidla fit-temperatura se jkun ikbar, u għalhekk tintuża eċċitazzjoni ta' vultaġġ. Pereżempju, termistor ta '10 kΩ għandu reżistenza ta '10 kΩ f'25 ° C. F'temperatura ta '-50 ° C, ir-reżistenza tat-termistor NTC hija 441.117 kΩ. Il-kurrent minimu tas-sewqan ta '50 µA pprovdut mill-AD7124-4 / AD7124-8 jiġġenera 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, li huwa għoli wisq u barra l-firxa operattiva tal-biċċa l-kbira tal-ADCs disponibbli użati f'din iż-żona ta 'applikazzjoni. It-termistors huma wkoll ġeneralment konnessi jew jinsabu ħdejn l-elettronika, u għalhekk l-immunità biex issuq il-kurrent mhix meħtieġa.
Iż-żieda ta 'resister ta' sens f'serje bħala ċirkwit ta 'diviżur ta' vultaġġ se tillimita l-kurrent mit-termistor għall-valur minimu tar-reżistenza tiegħu. F'din il-konfigurazzjoni, il-valur tas-sens tar-resister rsense għandu jkun daqs il-valur tar-reżistenza tat-termistor f'temperatura ta 'referenza ta '25 ° C, sabiex il-vultaġġ tal-ħruġ ikun daqs il-punt tan-nofs tal-vultaġġ ta' referenza fit-temperatura nominali tiegħu ta '25 ° CC bl-istess mod, jekk huwa użat ta '10 kΩ f'25 ° C, rsense għandu jkun 10 kΩ. Hekk kif tinbidel it-temperatura, ir-reżistenza tat-termistor NTC tinbidel ukoll, u l-proporzjon tal-vultaġġ tas-sewqan fit-termistor jinbidel ukoll, u jirriżulta li l-vultaġġ tal-ħruġ ikun proporzjonali mar-reżistenza tat-termistor NTC.
Jekk ir-referenza tal-vultaġġ magħżula użata biex titħaddem it-termistor u / jew rsense taqbel mal-vultaġġ ta 'referenza ADC użat għall-kejl, is-sistema hija ssettjata għal kejl ratiometriku (Figura 7) sabiex kwalunkwe sors ta' vultaġġ ta 'żball relatat ma' l-eċitazzjoni se jkun preġudikat biex jitneħħa.
Innota li jew ir-resister tas-sens (immexxi mill-vultaġġ) jew ir-resister ta 'referenza (immexxi mill-kurrent) għandu jkollhom tolleranza inizjali baxxa u drift baxxa, billi ż-żewġ varjabbli jistgħu jaffettwaw l-eżattezza tas-sistema kollha.
Meta tuża termistors multipli, tista 'tintuża vultaġġ ta' eċċitazzjoni. Madankollu, kull termistor għandu jkollu r-resister tas-sens ta 'preċiżjoni tiegħu stess, kif muri fil-Fig. 8. Għażla oħra hija li tuża multiplexer estern jew swiċċ ta 'reżistenza baxxa fl-istat ON, li jippermetti li tinqasam resister ta' sens ta 'preċiżjoni. B'din il-konfigurazzjoni, kull termistor jeħtieġ ftit ħin ta 'soluzzjoni meta jitkejjel.
Fil-qosor, meta tkun iddisinjata sistema ta 'kejl tat-temperatura bbażata fuq termistor, hemm ħafna mistoqsijiet li għandek tikkunsidra: għażla tas-sensuri, wajers tas-sensuri, kompromessi tal-għażla tal-komponenti, konfigurazzjoni ADC, u kif dawn il-varjabbli varji jaffettwaw l-eżattezza ġenerali tas-sistema. L-artikolu li jmiss f'din is-serje jispjega kif tista 'tiġi ottimizzata d-disinn tas-sistema tiegħek u l-baġit ta' żball tas-sistema ġenerali biex tilħaq il-prestazzjoni fil-mira tiegħek.
POST ĦIN: 30 ta 'Settembru-2022