Ntc датчики: Что такое датчик температуры NTC?

NTC используются в широком спектре приложений. Они используются для измерения температуры, контроля температуры и компенсации температуры. Их также можно использовать для обнаружения отсутствия или присутствия жидкости, в качестве устройств ограничения тока в цепях электропитания, для контроля температуры в автомобильных приложениях и во многих других приложениях. Датчики NTC можно разделить на три группы в зависимости от электрических характеристик, используемых в приложении.

Характеристика сопротивление-температура

Приложения, основанные на характеристике сопротивление-температура, включают измерение температуры, управление и компенсацию. К ним также относятся ситуации, в которых используется термистор NTC, так что температура датчика температуры NTC связана с некоторыми другими физическими явлениями. Для этой группы приложений требуется, чтобы термистор работал в режиме нулевой мощности, что означает, что ток через него поддерживается на минимально возможном уровне, чтобы избежать нагрева зонда.

Текущая характеристика

Применения, основанные на токо-временной характеристике: выдержка времени, ограничение пускового тока, подавление перенапряжений и многое другое. Эти характеристики связаны с теплоемкостью и постоянной рассеяния используемого термистора NTC. Схема обычно основана на нагреве термистора NTC из-за проходящего через него тока. В какой-то момент это вызовет какое-то изменение в схеме, в зависимости от приложения, в котором оно используется.

Вольт-амперная характеристика

Приложения, основанные на вольтамперной характеристике термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения цепи, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от приложения его можно использовать для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.

Символ термистора NTC

Термистор NTC (стандарт IEC)

Что означает NTC? | Вариом

NTC — это аббревиатура, используемая в различных определениях. Когда мы обсуждаем NTC, мы имеем в виду тип датчика температуры; термистор NTC. В этом случае NTC определяется как «отрицательный температурный коэффициент».

Термисторы измеряют температуру путем измерения сопротивления электрической энергии, проходящей через термистор, относительно температуры.Отрицательный температурный коэффициент означает, что при уменьшении сопротивления температура увеличивается, и наоборот. Также доступны термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), и, наоборот, сопротивление увеличивается при повышении температуры.

Термистор NTC представляет собой очень маленькое устройство для измерения температуры. Они являются частью нашего ассортимента продукции здесь, в Variohm. Они могут использоваться как «автономные» компоненты или могут быть встроены в различные корпуса для создания специальных датчиков температуры.

NTC очень разнообразны и поэтому используются, например, во многих различных приложениях;

• В микроволновых печах и других бытовых приборах используются термисторы для защиты от перегрева
• Котлы – все котлы используют термисторы для контроля температуры
• Цифровые термометры – термисторы используются в качестве внутреннего датчика температуры
• Производство — термисторы NTC используются в качестве автоматических выключателей на производственных предприятиях
• Приложения HVAC – термисторы используются в различных приложениях и устройствах HVAC
• 3D-принтеры — термисторы NTC используются для обеспечения регулирования температуры
• Медицинские приложения – мониторинг пациентов, а также техническое обслуживание устройств
• Обращение с пищевыми продуктами – термисторы используются при обработке пищевых продуктов для обеспечения соблюдения санитарно-гигиенических норм

NTC имеют много преимуществ, которые делают их подходящими для использования в различных отраслях промышленности и приложениях;

• Высокочувствительный
• Хорошо подходит для небольших диапазонов температур
• Низкая стоимость делает их дешевой заменой
• Быстрый отклик
• Простота использования
• Малый размер
• Доступна настройка
• Высокая совместимость
• Стекло или эпоксидное покрытие

У нас есть широкий выбор термисторов NTC. Их можно увидеть на нашем сайте. Доступны термисторы с различными значениями сопротивления, которые соответствуют различным требованиям и предпочтениям применения.

У нас есть собственный ассортимент термисторов, который недавно был добавлен на наш веб-сайт

Если у вас есть приложения для термисторов NTC или вам нужна дополнительная информация, свяжитесь с нами.

— ESPHome

Платформа ntc представляет собой вспомогательный датчик, который позволяет преобразовывать показания сопротивления от термистора NTC до показаний температуры.

Во-первых, вам нужно получить показания сопротивления с датчика – вы можете настроить это с помощью датчики сопротивления и ацц.

Затем эта платформа преобразует значения сопротивления в показания температуры. Для этого преобразования также требуются параметры калибровки. Есть два Способы получения этих значений: Просмотр таблицы данных или ручной расчет.

Если у вас есть техническое описание термистора, вы можете посмотреть его «B-константу» и эталонная температура/сопротивление.Например этот продукт будет иметь следующую конфигурацию калибровки.

 # Пример записи конфигурации
датчик:
  - платформа: НТЦ
    # ...
    калибровка:
      b_константа: 3950
      эталонная_температура: 25°C
      reference_resistance: 10кОм
 

Если у вас нет доступа к таблице данных или вы хотите рассчитать эти значения самостоятельно, Вы должны сначала измерить три значения сопротивления при разных температурах. Нагрейте/охладите NTC до трех разных температур (лучше всего, если температуры далеко друг от друга) и запишите показания сопротивления при этих температурах.Затем введите эти значения в поле параметр калибровки:

 # Пример записи конфигурации
датчик:
  - платформа: НТЦ
    # ...
    калибровка:
      - 10,0 кОм -> 25°C
      - 27,219 кОм -> 0°C
      - 14,674 кОм -> 15°C
 

 # Пример записи конфигурации
датчик:
  - платформа: НТЦ
    датчик: датчик_сопротивления
    калибровка:
      b_константа: 3950
      эталонная_температура: 25°C
      reference_resistance: 10кОм
    имя: Температура НТК

  # Пример датчиков источника:
  - платформа: сопротивление
    идентификатор: сопротивление_сенсор
    датчик: source_sensor
    конфигурация: НИЖНЯЯ
    резистор: 5. 6 кОм
    имя: Датчик сопротивления
  - платформа: адк
    идентификатор: source_sensor
    контактный: A0
 

Переменные конфигурации:

• name ( Required , string): Имя датчика.

• датчик ( Требуется , ID): датчик для считывания значений сопротивления для преобразования в показания температуры.

• калибровка ( Требуется , поплавок): Параметры калибровки датчика – см. выше Больше подробностей.

• id ( Дополнительный , ID): установите идентификатор этого датчика для использования в лямбда-зондах.

• Все остальные опции от Sensor.

Самонагревающийся

Подача постоянного напряжения на датчик NTC вызывает его нагрев и, следовательно, создает ненадежные значения температуры. Поэтому рекомендуется подавать питание на датчик NTC (и делитель напряжения) только во время фактического измерения. Подробнее здесь.

Для этого замените 3.Сторона 3V делителя напряжения с подключением к контакту GPIO. Этот вывод GPIO будет переключаться на ВЫСОКИЙ уровень (3,3 В) только во время измерения, что предотвращает нагрев датчика. В приведенном ниже примере контакт D0 является «верхней» стороной делителя напряжения:

:
  # То же, что и раньше:
  - платформа: НТЦ
    датчик: датчик_сопротивления
    # ...

  - платформа: адк
    контактный: A0
    идентификатор: source_sensor
    # Добавлен:
    update_interval: никогда

выключатель:
  - платформа: gpio
    вывод: D0
    идентификатор: ntc_vcc

интервал:
  - интервал: 60с
    тогда:
      - выключатель.включить_включить: ntc_vcc
      - component.update: source_sensor
      - switch.turn_off: ntc_vcc
 

См. также

Термисторы NTC и термометры сопротивления (RTD)

Термисторы и термометры сопротивления (RTD) представляют собой типы резисторов, значения сопротивления которых предсказуемо изменяются при изменении их температуры. Большинство RTD состоят из элемента, изготовленного из чистого металла (чаще всего используется платина) и защищенного зондом или оболочкой или встроенного в керамическую подложку.

Термисторы состоят из композиционных материалов, обычно оксидов металлов, таких как марганец, никель или медь, а также связующих веществ и стабилизаторов.

В последние годы термисторы становятся все более популярными благодаря усовершенствованию счетчиков и контроллеров. Современные измерители достаточно гибки, чтобы пользователи могли устанавливать широкий диапазон термисторов и легко заменять датчики.

Однако, в отличие от термометров сопротивления, которые предлагают установленные стандарты, кривые термисторов различаются в зависимости от производителя.Электроника системы термистора должна соответствовать кривой датчика.

В то время как в RTD существует положительная корреляция между сопротивлением и температурой (при повышении температуры сопротивление также увеличивается), в термисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) сохраняется обратная зависимость (сопротивление уменьшается при повышении температуры). Зависимость между температурой и сопротивлением линейна для RTDS, но для термисторов NTC она экспоненциальна и может быть построена вдоль кривой.

И термометры сопротивления, и термисторы NTC требуют источника тока или возбуждения, и оба подходят для использования в приложениях, требующих:

• точность
• хорошая долговременная стабильность
• устойчивость к электрическим помехам в окружающей среде

Если в вашем приложении используются температуры выше 130°C, единственным вариантом является датчик RTD.

Стоимость: Термисторы стоят совсем недорого по сравнению с термометрами сопротивления. Если температура вашего приложения соответствует доступному диапазону, термисторы, вероятно, являются лучшим вариантом.

Однако термисторы с расширенным температурным диапазоном и/или взаимозаменяемостью зачастую дороже термосопротивлений.

Чувствительность: Термисторы и RTD реагируют на изменения температуры предсказуемым изменением сопротивления. Однако термисторы изменяют сопротивление на десятки Ом на градус по сравнению с меньшим числом Ом для датчиков RTD.Таким образом, с помощью соответствующего счетчика пользователь может получить более точные показания.

Время отклика термистора также лучше, чем у термометров сопротивления, так как они гораздо быстрее обнаруживают изменения температуры. Чувствительная поверхность термистора может быть размером с булавочную головку, что обеспечивает более быструю обратную связь.

Точность: Хотя лучшие термометры сопротивления имеют такую ​​же точность, что и термисторы, они повышают сопротивление системы. Использование длинных кабелей может привести к изменению показаний за пределами допустимого уровня погрешности.

Чем больше термистор, тем выше значение сопротивления датчика.Если вы имеете дело с большими расстояниями и нет возможности добавить передатчик, лучшим решением будет термистор.

Заключение:

При температуре ниже этой температуры термисторы часто предпочтительнее, когда важна точность. С другой стороны, RTD выбирают, когда важна устойчивость (т. е. сопротивление). Вкратце: термисторы лучше подходят для точных измерений, а термометры сопротивления — для температурной компенсации.

ОСНОВЫ ТЕРМИСТОРОВ – Электроника длины волны

Температурный диапазон: Приблизительный общий диапазон температур, в котором можно использовать данный тип датчика.В заданном диапазоне температур одни датчики работают лучше, чем другие.

Относительная стоимость: Относительная стоимость при сравнении этих датчиков друг с другом. Например, термисторы недороги по сравнению с RTD, отчасти потому, что предпочтительным материалом для RTD является платина.

Постоянная времени: Приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, за которое термистор достигает 63,2% разницы температур от начального показания до конечного.

Стабильность: Способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.

Чувствительность: Степень реакции на изменение температуры.

Какие формы термисторов доступны?

бывают различных форм: в виде диска, чипа, шарика или стержня, и могут устанавливаться на поверхность или встраиваться в систему. Они могут быть залиты эпоксидной смолой, стеклом, фенольной смолой или окрашены.Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, твердое тело, жидкость или газ.

Например, шариковый термистор идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей. Микросхема термистора обычно монтируется на печатной плате (PCB). Существует очень много различных форм термисторов, и вот некоторые примеры:

Рисунок 3: Типы термисторов

Выберите форму, обеспечивающую максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, подключение к контролируемому устройству должно производиться с использованием пасты с высокой теплопроводностью или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводными.

Как термистор работает в контролируемой системе?

Термистор в основном используется для измерения температуры устройства. В системе с регулируемой температурой термистор является небольшой, но важной частью более крупной системы. Контроллер температуры контролирует температуру термистора.Затем он сообщает нагревателю или охладителю, когда включать или выключать его для поддержания температуры датчика.

На приведенной ниже диаграмме, иллюстрирующей пример системы, для регулирования температуры устройства используются три основных компонента: датчик температуры, регулятор температуры и устройство Пельтье (обозначенное здесь как ТЭО или термоэлектрический охладитель). Головка датчика прикреплена к охлаждающей пластине, которая должна поддерживать определенную температуру для охлаждения устройства, а провода присоединены к контроллеру температуры. Контроллер температуры также электронно связан с устройством Пельтье, которое нагревает и охлаждает целевое устройство. Радиатор прикреплен к устройству Пельтье, чтобы помочь с рассеиванием тепла.

Рис. 4: Система, управляемая термистором
Работа датчика температуры заключается в отправке сигнала обратной связи о температуре на контроллер температуры. Через датчик проходит небольшой ток, называемый током смещения, который посылает контроллер температуры.Контроллер не может считывать сопротивление, поэтому он должен преобразовывать изменения сопротивления в изменения напряжения, используя источник тока для подачи тока смещения на термистор для создания управляющего напряжения.

Контроллер температуры является мозгом этой операции. Он берет информацию датчика, сравнивает ее с тем, что нужно охлаждаемому устройству (называется заданным значением), и регулирует ток через устройство Пельтье, чтобы изменить температуру в соответствии с заданным значением.

Расположение термистора в системе влияет как на стабильность, так и на точность системы управления.Для лучшей стабильности термистор необходимо разместить как можно ближе к термоэлектрическому или резистивному нагревателю. Для наилучшей точности термистор должен быть расположен близко к устройству, требующему контроля температуры. В идеале термистор встроен в устройство, но его также можно прикрепить с помощью теплопроводной пасты или клея. Даже если устройство встроенное, воздушные зазоры следует устранить с помощью термопасты или клея.

На приведенном ниже рисунке показаны два термистора, один из которых прикреплен непосредственно к устройству, а другой удален или удален от устройства.Если датчик находится слишком далеко от устройства, время тепловой задержки значительно снижает точность измерения температуры, а размещение термистора слишком далеко от устройства Пельтье снижает стабильность.

Рис. 5. Размещение термистора

На следующем рисунке график иллюстрирует разницу в показаниях температуры, снятых обоими термисторами. Термистор, прикрепленный к устройству, быстро реагировал на изменение тепловой нагрузки и регистрировал точные температуры.Выносной термистор тоже среагировал, но не так быстро. Что еще более важно, показания отличаются чуть более чем на полградуса. Эта разница может быть очень значительной, когда требуются точные температуры.

Рис. 6: График реакции расположения термистора

После выбора места размещения датчика необходимо настроить остальную часть системы. Это включает в себя определение базового сопротивления термистора, тока смещения для датчика и заданной температуры нагрузки на контроллере температуры.

Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать?

Термисторы классифицируются по величине сопротивления, измеренного при комнатной температуре окружающей среды, которая считается 25°C. Устройство, температуру которого необходимо поддерживать, имеет определенные технические характеристики для оптимального использования, определенные производителем. Их необходимо определить перед выбором датчика. Поэтому важно знать следующее:

Какова максимальная и минимальная температура для устройства?
Термисторы идеально подходят для измерения температуры в одной точке, которая находится в пределах 50°C от температуры окружающей среды.Если температура чрезмерно высока или низка, термистор не сработает. Хотя есть исключения, большинство термисторов лучше всего работают в диапазоне от -55°C до +114°C.

Поскольку термисторы являются нелинейными, то есть значения температуры к сопротивлению отображаются на графике в виде кривой, а не прямой линии, очень высокие или очень низкие температуры не регистрируются правильно. Например, очень небольшие изменения при очень высоких температурах будут фиксировать незначительные изменения сопротивления, что не приведет к точным изменениям напряжения.

Каков оптимальный диапазон термистора?
В зависимости от тока смещения контроллера каждый термистор имеет оптимальный полезный диапазон, т. е. диапазон температур, в котором точно регистрируются небольшие изменения температуры.

В таблице ниже показаны наиболее эффективные диапазоны температур для термисторов с длиной волны при двух наиболее распространенных токах смещения.

Рисунок 7: Таблица выбора термистора

Лучше всего выбирать термистор, у которого заданная температура находится в середине диапазона.Чувствительность термистора зависит от температуры. Например, термистор может быть более чувствительным при более низких температурах, чем при более высоких температурах, как в случае с термистором Wavelength TCS10K5 10 кОм. Для TCS10K5 чувствительность составляет 162 мВ на градус Цельсия в диапазоне от 0°C до 1°C, 43 мВ/°C в диапазоне от 25°C до 26°C и 14 мВ °C в диапазоне от 49°C до 50°C. С.

Каковы верхний и нижний пределы напряжения на входе датчика регулятора температуры?
Пределы напряжения обратной связи датчика с регулятором температуры устанавливаются производителем. Идеальным является выбор комбинации термистора и тока смещения, которая создает напряжение в пределах диапазона, разрешенного регулятором температуры.

Напряжение связано с сопротивлением по закону Ома. Это уравнение используется для определения необходимого тока смещения. Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и для этого тока смещения записывается как:

В = I _{СМЕЩЕНИЕ} x R

Где:
V — напряжение в вольтах (В)
I _BIAS — ток в амперах или амперах (A)
I _BIAS означает фиксированный ток
R — сопротивление в омах (Ом)

Контроллер создает ток смещения для преобразования сопротивления термистора в измеряемое напряжение.Контроллер будет принимать только определенный диапазон напряжения. Например, если диапазон контроллера составляет от 0 до 5 В, напряжение термистора должно быть не ниже 0,25 В, чтобы низкочастотные электрические помехи не мешали считыванию, и не выше 5 В для считывания.

Предположим, что используется вышеуказанный контроллер и термистор на 100 кОм, такой как TCS651 компании Wavelength, а температура, которую должно поддерживать устройство, составляет 20°C. Согласно техпаспорту TCS651 сопротивление составляет 126700 Ом при 20°C.Чтобы определить, может ли термистор работать с контроллером, нам нужно знать используемый диапазон токов смещения. Используя закон Ома для решения I _BIAS , мы знаем следующее:

В / R = I _{СМЕЩЕНИЕ}

0,25 / 126700 = 2 мкА — нижний предел диапазона
5,0 / 126700 = 39,5 мкА — верхний предел

Да, этот термистор будет работать, если ток смещения регулятора температуры можно установить в диапазоне от 2 мкА до 39,5 мкА.

При выборе термистора и тока смещения лучше всего выбрать тот, у которого развиваемое напряжение находится в середине диапазона.Вход обратной связи контроллера должен иметь напряжение, полученное из сопротивления термистора.

Поскольку люди легче всего относятся к температуре, сопротивление часто нужно менять на температуру. Наиболее точная модель, используемая для преобразования сопротивления термистора в температуру, называется уравнением Стейнхарта-Харта.

Что такое уравнение Стейнхарта-Харта?

Уравнение Стейнхарта-Харта — это модель, которая была разработана в то время, когда компьютеры не были повсеместно распространены и большинство математических расчетов выполнялось с использованием логарифмических линеек и других математических средств, таких как таблицы трансцендентных функций.Уравнение было разработано как простой метод простого и более точного моделирования температур термисторов.

Уравнение Стейнхарта-Харта:

1/T = A + B(lnR) + C(lnR)2 + D(lnR)3 + E(lnR)4…

Где:
T — температура в градусах Кельвина (К, Кельвин = Цельсий + 273,15)
R — сопротивление при Т в Омах (Ом)
A, B, C, D и E — коэффициенты Стейнхарта-Харта, которые варьируются в зависимости от типа используемого термистора и диапазона измеряемой температуры.
ln — натуральное бревно, или бревно в базу Napierian 2. 71828

Члены могут продолжаться бесконечно, но из-за того, что ошибка настолько мала, уравнение усекается после кубического члена, а квадратный член исключается, поэтому используется следующее стандартное уравнение Стейнхарта-Харта:

1/T = A + B(lnR) + C(lnR)3

Одно из преимуществ компьютерных программ заключается в том, что уравнения, на решение которых ушли бы дни, если не недели, решаются за считанные минуты. Введите «Калькулятор уравнения Штейнхарта-Харта» в любой поисковой системе, и страницы со ссылками на онлайн-калькуляторы будут возвращены.

Как используется уравнение Стейнхарта-Харта?

Это уравнение позволяет с большей точностью рассчитать фактическое сопротивление термистора в зависимости от температуры. Чем уже диапазон температур, тем точнее будет расчет сопротивления. Большинство производителей термисторов предоставляют коэффициенты A, B и C для типичного диапазона температур.

Кто такие Стейнхарт и Харт?

Джон С. Стейнхарт и Стэнли Р. Харт впервые разработали и опубликовали уравнение Стейнхарта-Харта в статье под названием «Калибровочные кривые для термисторов» в 1968 году, когда они были исследователями в Институте Карнеги в Вашингтоне.Стейнхарт стал профессором геологии и геофизики и морских исследований в Университете Висконсин-Мэдисон, а Стэнли Р. Харт стал старшим научным сотрудником Океанографического института Вудс-Хоул.

Заключение

Термисторы — это терморезисторы, сопротивление которых изменяется при изменении температуры. Они очень чувствительны и реагируют на очень небольшие изменения температуры. Их лучше всего использовать, когда необходимо поддерживать определенную температуру и контролировать температуру в пределах 50°C от окружающей среды.

Термисторы, как часть системы контроля температуры, являются лучшим способом измерения и контроля нагрева и охлаждения устройства Пельтье. Их способность регулировать с шагом в минуту обеспечивает наибольшую общую стабильность системы. Термисторы могут быть встроены или установлены на поверхность устройства, требующего контроля температуры. В зависимости от типа они могут измерять жидкости, газы или твердые вещества.

Wavelength поставляет различные термисторы с шариковыми и цилиндрическими головками. Чтобы просмотреть текущий выбор, нажмите здесь.

Датчики температуры NTC 20 кОм

Датчики температуры NTC 20 кОм

C7041

Электронные датчики температуры C7041 предназначены для использования с электронными контроллерами в бытовых или коммерческих системах отопления и охлаждения.

• Электронные датчики температуры серии C7041 предназначены для использования с Excel 10, Excel 15 или любым другим контроллером, требующим нелинеаризованного входа датчика NTC 20 кОм.
• Доступны различные модели для измерения температуры воздуха в воздуховоде, средней температуры воздуха, температуры воды, температуры наружного воздуха или температуры водопровода.
• Все устройства состоят из чувствительного к температуре элемента и закрытых проводов для защиты от физических повреждений.
• Корпуса сенсорных элементов изготавливаются различной длины и конфигурации для конкретных применений.
• Все устройства имеют корпус монтажной коробки, закрывающий соединения полевой проводки. Наружный датчик C7041F изготовлен из алюминия и нержавеющей стали, является водонепроницаемым и оснащен солнцезащитным козырьком.

Чтобы заказать, выберите ссылку на вкладке «Элемент» ниже.

CAT #	Длина вставки	Применение:	Описание
C7041B2005	6 в.	6 в.	6. Протокол.
C7041B2013	12 в.	Высвобождение воздуховодов	12-дюймовый датчик воздуховодов
C7041C2003	18 в.	Высвобождение воздуховода	18 в.Датчик воздуха на выходе из воздуховода
C7041D2001	5 дюймов	Погружной датчик для горячей или холодной воды, хорошо приобрести 50001774-001 Отдельно	5 в. Темсионный датчик, для горячей или охлажденной воды
C7041F2006	Открытый водонепроницаемый датчик с солнцем
C7041J2007	12 футов	12 футов нагнетаемый воздух (усреднение)	12 футов.Протокол разряда воздуха в среднем датчика
C7041K2005	–	Горячая или охлажденная вода (ремень на)	ремешок на датчик на горячей или охлажденной воде
C7041P2004

NTC в качестве датчиков температуры | Проекты

|&nbsp Создано: 9 сентября 2020 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 11 января 2021 г.

Во введении к этой серии мы начали работу по тестированию всех доступных типов температуры, создав набор шаблонов проекта: один для аналоговых датчиков и один для цифровых датчиков.Вы можете найти эти шаблоны и реализации датчиков для этих термисторов NTC на GitHub. Как всегда, эти проекты с открытым исходным кодом выпущены под лицензией MIT, что позволяет вам использовать их с очень небольшими ограничениями.

В этой статье мы начнем с нашего первого типа датчика температуры, термистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Термисторы NTC, вероятно, являются наиболее часто используемым классом датчиков, поскольку они дешевы, просты в использовании и, несмотря на то, что они не очень точны, достаточно точны для большинства приложений.

Если вы хотите приобрести термисторы NTC, зайдите в Octopart и посмотрите, что есть в наличии у вашего любимого дистрибьютора. Вы также можете найти полный спектр термисторов NTC и многие десятки тысяч других компонентов и датчиков в моей Celestial Altium Library, крупнейшей библиотеке с открытым исходным кодом для Altium Designer®.

В этой серии мы рассмотрим широкий спектр датчиков температуры , , расскажем об их преимуществах и недостатках, а также об общих реализациях/топологиях их реализации.Серия будет охватывать:

Датчики с термисторами

Несмотря на то, что я только что сказал о термисторах, они не очень точны, они широко используются. Большинству приложений не требуется точность температуры выше нескольких градусов Цельсия. При встроенной базовой тепловой защите или тепловой компенсации термисторы PTC или NTC достаточно хороши. Большинство 3D-принтеров используют термисторы для обогреваемых столов и горячих концов, поэтому вам необходимо откалибровать настройки температуры нити накала для каждого принтера. Для меня, печатающего один и тот же материал тремя разными хотэндами, я получаю три температуры в диапазоне почти 10 °C. Датчики очень дешевы в использовании, что является фантастическим для недорогих устройств, особенно когда вы можете либо калибровать датчик в цепи во время производства, либо это может сделать пользователь.

Стоимость термисторов компенсируется дополнительными техническими усилиями по получению точных измерений температуры, особенно в широком диапазоне температур.Это делает их очень хорошими для приложений защиты, где приемлемо общее представление о температуре. В большинстве литий-ионных аккумуляторных батарей используется термистор 10k NTC для отключения зарядки, если элементы становятся слишком горячими, чтобы предотвратить катастрофический сбой.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Термистор NTC представляет собой резистор, сопротивление которого падает при повышении температуры. Это позволяет типичным методам измерения сопротивления в цепи рассчитать температуру резистора.К сожалению, изменение температуры нелинейно, что означает, что вы не можете напрямую измерить изменение температуры по изменению сопротивления. Многие производители предоставляют кривую сопротивление-температура и, возможно, даже формулу для расчета температуры по сопротивлению, что означает, что микроконтроллер может использоваться для получения достаточно точных измерений. Допустим, производитель не предоставляет эту информацию. В этом случае вы можете использовать точный датчик температуры или климатическую камеру для измерения датчика в определенных заданных точках, чтобы самостоятельно определить формулу.

В этом проекте мы рассмотрим два разных термистора NTC и несколько вариантов их реализации. Это термисторы с жесткими допусками, но они все же не слишком дороги по сравнению с другими термисторами с более низкими допусками.

Оба компонента предназначены для поверхностного монтажа; тем не менее, сквозные компоненты легко доступны. Обычным применением компонентов сквозного отверстия является их пайка на конце пары проводов для дистанционного зондирования. Если вы хотите протестировать термистор на проводе, не тратя много денег, ищите датчики температуры для 3D-принтеров, обычно это термистор 10К.Однако в некоторых принтерах вместо них используются термисторы на 100К.

Диапазон температур срабатывания термисторов является преимуществом по сравнению с некоторыми датчиками, которые мы рассмотрим позже. Диапазон чувствительности покрывает весь рабочий диапазон датчика, что позволяет использовать его в самых разных приложениях. Поскольку термисторы настолько просты, вы можете использовать их далеко за пределами этих номинальных диапазонов, если ваш припой не превратится в расплавленное состояние или тепловое сжатие не повредит устройство.

Основное различие между двумя датчиками, кроме размера упаковки, заключается в сопротивлении при 25 °C — у нас есть термистор NTC 100k и 10k, которые являются наиболее часто используемыми значениями.

Спецификации для этих двух датчиков выглядят довольно линейно, пока вы не поймете, что ось сопротивления логарифмическая. В линейной шкале, как на графике ниже, мы видим, что сопротивление далеко от линейного при непосредственном считывании.

Мы можем поместить резистор, который соответствует сопротивлению термистора в центре интересующего температурного диапазона, параллельно термистору, чтобы сделать небольшой участок кривой более линейным. Это может упростить расчет и калибровку в линейном температурном диапазоне. Предположим, у вас есть возможность измерить полный профиль термистора, чтобы рассчитать значения для формулы термистора, или производитель достаточно любезен, чтобы предоставить их в таблице данных. В этом случае вы можете сэкономить резистор и по-прежнему получать точные измерения во всем диапазоне.

Применение термистора NTC: делитель напряжения

Самый простой способ измерения температуры — с помощью делителя напряжения.Вы можете использовать термистор как в верхней, так и в нижней части делителя напряжения. Если вы используете термистор в качестве «верхней» ветви делителя потенциала, напряжение будет увеличиваться по мере увеличения температуры. Если вы используете термистор в качестве нижнего плеча делителя напряжения, то напряжение будет уменьшаться при повышении температуры.

Любой метод допустим. Однако я бы предложил попробовать уменьшить ток через делитель, чтобы предотвратить самонагрев термистора.В зависимости от значения термистора NTC и требований, вы можете оптимизировать реализацию, изменив топологию.

Для своей реализации я использую простой делитель, который не оптимизирован для какого-либо конкретного диапазона температур, используя верхний делитель, который соответствует сопротивлению термистора при 25 °C. При 25 °C следует ожидать половину входного напряжения. Предположим, вы строите таким образом датчик температуры. В этом случае вы должны иметь представление о диапазоне температур, с которым вы работаете, и оптимизировать сопротивление и топологию, чтобы обеспечить максимально широкий диапазон напряжения, чтобы иметь возможность более точного измерения температуры.

Обратите внимание, что по мере повышения температуры сопротивление термистора NTC уменьшается. Это означает, что большая часть мощности будет падать на эталонном резисторе, так как на нем больше падение напряжения. Это также помогает предотвратить самонагрев и является хорошей стратегией, если мы хотим измерить температуру выше температуры окружающей среды.

Схема печатной платы

Для создания печатной платы мы будем использовать шаблон проекта карты датчика температуры, который мы создали в предыдущей статье этой серии.Шаблон также доступен на GitHub, если вы хотите использовать его для своих собственных датчиков.

Вы можете заметить, что имена досок такие же, как и в шаблоне проекта. Это не упростит управление потенциально десятками этих плат, если все они будут иметь одинаковые имена файлов схем и печатных плат!

Я спросил своего друга Давиде Бортолами, есть ли у него способ переименовать файлы в проекте Altium, поскольку моя практика заключалась в том, чтобы удалить файл из проекта – переименовать его, а затем снова добавить в проект.Мой способ был довольно неуклюжим, поэтому Давиде сразу же предложил Диспетчер хранилища для переименования файлов. Вы можете найти диспетчер хранилища под кнопкой панелей в правом нижнем углу Altium.

Диспетчер хранилища работает нормально, даже если у вас нет текущего проекта в репозитории с контролем версий. Все, что нам нужно сделать, это щелкнуть правой кнопкой мыши на схеме или плате и выбрать «Переименовать» (или нажать F2).

Это гораздо более элегантное решение, чем метод, который я обычно использовал.

Затем мы добавляем одну из вышеприведенных реализаций на лист схемы. Единственное изменение, которое необходимо внести в шаблонные разделы схемы, — это подключить аналоговый выход датчика к краевому разъему платы.

Поскольку эти схемы несимметричные, а не дифференциальные, мы можем подключить отрицательную сторону пары к земле, а положительная сторона получит выходной сигнал от подключенного к ней делителя напряжения. Затем все, что нам нужно сделать, это обновить плату, чтобы добавить новые компоненты.

Работая над платой, я также заполняю таблицу аналоговых каналов, которую мы разместили в шаблоне, чтобы определить, какой канал использует конкретная сенсорная карта. Это должно снизить вероятность добавления двух датчиков, использующих один и тот же канал, в один стек.

Платы для них, конечно, невероятно просты: на каждую плату добавлено всего два компонента. Я мог бы разместить оба датчика на одной плате, но я хочу оставить по одному датчику на плату. Благодаря тому, что реализация каждого датчика изолирована от собственной печатной платы, ни один датчик не будет влиять на результаты любого другого, поскольку они используют общую плату.

Плата термистора 100k NTC практически идентична компонентам, кроме резистора и термистора. Шаблон проекта упрощает работу по созданию серии очень похожих печатных плат.

Как упоминалось выше, мы можем добавить резистор параллельно термистору NTC в нашем делителе напряжения. Это поможет линеаризовать часть делителя напряжения. Наличие линейного вывода для интересующего диапазона температур может быть полезным, если вы не можете запустить алгоритм на собранных данных для преобразования значения в точную температуру. Это также может быть полезно, если у вас нет средств для точного сбора необходимых данных для определения значений алгоритма. Для линейного участка температурного диапазона потребуется показание напряжения, которое можно интерпретировать напрямую как дифференциальную температуру.

Для этой реализации я просто добавляю параллельный резистор, который линеаризует термистор около 25 °C. Ваша реализация должна соответствовать сопротивлению термистора NTC в центральной точке диапазона температур, который вы пытаетесь измерить.

Для этой реализации я поместил два резистора 10K 0603 вместе, так как я не ожидаю какой-либо измеримой разницы в физическом положении параллельного резистора по отношению к термистору. Если бы у нас были достаточно точные приборы, мы, вероятно, могли бы почувствовать некоторое тепло от параллельного резистора, нагревающего термистор, если бы они были близко друг к другу. Тем не менее, это было бы настолько ничтожно маленькое количество, что оно не имело бы никакого значения для любого реального приложения.

Для повышения стабильности схемы мы также можем использовать операционный усилитель в качестве повторителя напряжения.Это также может дать нам дополнительную точность в зависимости от того, как реализован вывод, измеряющий напряжение. Микроконтроллер или выделенный АЦП будут иметь некоторое сопротивление на землю, которое обычно очень велико, но они все равно будут действовать как параллельный резистор для нашего делителя напряжения. Используя операционный усилитель с буфером/повторителем напряжения, мы можем изолировать вывод микроконтроллера от делителя напряжения.

Для этой схемы я использую относительно недорогой буферный усилитель. Инструментальный усилитель стоил бы примерно столько же.Стоит отметить, что некоторые из аналоговых и цифровых датчиков, которые мы рассмотрим позже, стоят меньше, чем просто буферный усилитель, и имеют большую точность и линейность, чем термисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом. Таким образом, хотя эта схема должна обеспечивать более точное считывание, она, вероятно, не будет иметь особого смысла в реальной реализации устройства, если только вы не считываете показания термистора с внешнего устройства/машины, где вы не можете заменить чувствительный элемент.

Вы также можете использовать для этого операционный усилитель общего назначения с меньшими затратами.Буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, поэтому не требуют подключения обратной связи и, что более важно, имеют исключительно высокий входной и выходной импеданс. Этот высокий импеданс по сравнению с обычным операционным усилителем обеспечивает большую точность при считывании показаний делителя напряжения, такого как этот. При этом такой буферный усилитель является огромным излишеством для термистора NTC, поскольку он более чем способен обрабатывать гигагерцовые сигналы.

Печатная плата повторителя напряжения выполнена в том же общем стиле, что и остальные, с буферным усилителем и резистором делителя на противоположной стороне терморазрыва. Опять же, я бы не ожидал, что будет какое-либо измеримое тепло от буферного усилителя, передаваемого на термистор, если они будут помещены вместе. Эта конструкция продолжает тему сохранения только чувствительного элемента внутри области теплового разрыва, поэтому все наши измерения будут согласованными и не будут искажены другими компонентами поблизости.

Вы также можете использовать мост Уитстона для еще более точного измерения термистора.Однако я не собираюсь реализовывать это для термистора NTC в этой серии. В статье о термометре сопротивления (RTD) вы найдете больше информации о реализации моста Уитстона. В то время как термистор, реализованный правильно и используемый с правильной формулой, может быть достаточно точным, использование моста Уитстона на относительно неточном датчике не стоит затрат времени и средств на реализацию. Результаты простых приложений, приведенных выше, позволят вам получить максимальную отдачу от термистора NTC.

Проверьте платы термисторов NTC самостоятельно

Исходный код этих тестовых карт датчиков открыт. Ознакомьтесь с репозиторием на GitHub, чтобы загрузить образцы и использовать их самостоятельно. Если вы хотите оценить некоторые термисторы NTC, файлы проекта для этих плат сэкономят ваше время. Вы также найдете все сенсорные карты, которые мы разрабатываем в этой серии, в том же репозитории GitHub, так что вы можете получить представление о том, что будет дальше в этой серии, заглянув в репозиторий!

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Поговорите с экспертом Altium.