В предыдущей статье я говорил, что нельзя путать терморезистивные датчики (RTD) с термисторами. И сегодня мы познакомимся с термисторами и узнаем, почему их нельзя путать с RTD.
Внешний вид и размер термисторов (терморезисторов) может быт разный. На иллюстрации лишь несколько возможных вариантов. А внизу показан классический термистор ММТ производства СССР.
Как устроен термистор
Очень просто. Настолько просто, что даже не требуется отдельная иллюстрация. Обычно это небольшой "брусок" из специальных материалов, на концах которого закреплены выводы. "Брусок" может быть прямоугольным или круглым, диском, просто небольшой "капелькой".
Он не обязательно однородный. И может иметь не только выводное, но и SMD исполнение. По сути это полупроводниковый резистор (полупроводник это материал, а не p-n переход!). "Специальные материалы" зачастую основываются на оксидах металлов (марганца, никеля, кобальта) и по механическим свойствам близки к керамике.
Термисторы покрывают защитными покрытиями. Это может быть краска или лак, стекло, различные компаунды и пластики. Они могут помещаться в специальные корпуса для механической защиты или удобства крепления. В этом случае в корпусах они тоже заливаются компаундами. Некоторые варианты показаны на иллюстрации в начале статьи.
Как работает термистор
Как и ранее рассмотренные термометры сопротивления, термистор изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. Причем ТКС термисторов гораздо выше. Но, в отличии от RTD, термисторы очень не линейны. А состав материала, из которого изготовлен термистор определяет и чувствительность, и нелинейность, и характер изменения сопротивления.
NTC термисторы
Имеют отрицательный температурный коэффициент. То есть, их сопротивление уменьшается с ростом температуры. Напомню, что ранее рассмотренные терморезистивные датчики свое сопротивление увеличивают с ростом температуры. Однако, зависимость сопротивления от температуры очень не линейная
Дело в том, что ТКС
NTC термистора тоже зависит от температуры. Общий вид зависимости между сопротивлением NTC термистора от температуры описывается уравнением Стейнхарта-Харта
Здесь температура задается в градусах Кельвина. A, B, C, D - коэффициенты зависящие от материала из которого изготовлен термистор. R25 - сопротивление термистора при 25 градусах Цельсия.
Однако, значения этих коэффициентов далеко не всегда можно найти в документации на термистор. Обычно в документации приводится коэффициент B25/85, с помощью которого можно найти сопротивление термистора при заданной температуре
Здесь R85, по аналогии с R25, сопротивление термистора при 85 градусах Цельсия. 298.15 это температура в градусах Кельвина, соответствующая 25 градусам Цельсия. А 358.15, соответствующая 85 градусам Цельсия.
В некоторых случаях коэффициент В приводится для других значений температуры. Естественно, в таких случаях формулу расчета Rт придется немного, и очевидно, изменить.
Эта упрощенная формула дает немного большую погрешность, чем полная. Но для практического применения ее обычно бывает достаточно.
Ну и, для примера, приведу вырезки из таблиц параметров термисторов
Здесь хорошо видно, что приводится несколько значений коэффициента В, для разных диапазонов температур. И видно, что этот коэффициент разный для разных термисторов.
А это другой указания параметров термисторов, более подробный. Здесь приведено отношение сопротивления при указанной температуре, к сопротивлению при комнатной температуре, для полного диапазона температур, с шагом 5 градусов. То есть, это готовые калибровочные таблицы. Кстати, обратите внимание, что здесь видна зависимость температурного коэффициента от температуры.
PTC термисторы
Такие термисторы имеют положительный температурный коэффициент. Иногда их называют позисторами. Их зависимость сопротивления от температуры еще более нелинейна.
Не смотря на то, что позисторы тоже можно, теоретически, использовать для измерения температуры (например, B59901D90A40), их типичная область применения совсем иная. Однако, их можно использовать в качестве пороговых датчиков температуры.
Поэтому я сегодня ограничусь лишь упоминанием позисторов. Подробного их изучения не будет.
Термисторы бывают разными!
Очень важно отметить, что термисторы далеко не всегда предназначены именно для измерения температуры! Гораздо чаще, в настоящее время, их используют как устройства защиты.
Поэтому, если вы решили измерять (или просто контролировать) температуру с помощью термисторов, нужно выбирать термисторы предназначенные именно для измерения температуры.
Измерение температуры с помощью термисторов
В общем и целом, как и в случае термометров сопротивления, измерение температуры сводится к измерению сопротивления. Но, поскольку их чувствительность гораздо выше, это сделать немного проще.
При этом остаются актуальными два основных момента.
Саморазогрев датчика
Как я уже говорил в предыдущей статье, протекающий через измерительный элемент ток вызывает нагрев измерительного элемента, что искажает измерения.
Для расчета ошибки измерения в документации приводится параметр, эквивалентный тепловому сопротивлению. Для термисторов EPCOS/TDK это параметр называется Dissipation factor. Например, для термисторов B57861S (S861) он равен 1.5 мВт/К для жестких выводов впаиваемых в плату и 3.2 мВт/К для гибких выводов из монтажного провода.
Иногда указывают и максимальный ток, при котором измерения имеют допустимую погрешность. Причем ток может быть весьма малым.
Лианеризация
Несмотря на то, что зависимость сопротивления от температуры для NTC термисторов не линейна, это затруднение не так сложно обойти.
Разумеется, если температуру измеряет микроконтроллер, то достаточно разместить в его памяти калибровочную таблицу, и задача решена. Причем для калибровочной таблицы не требуется большого объема памяти.
Если же такая "цифровая лианеризация" по каким то причинам невозможна, например, в чисто аналоговой схеме, то можно использовать схемотехнические решения. Например, усилитель с нелинейной передаточной характеристикой.
Есть и другие способы. Например, подключить параллельно термистору резистор с сопротивлением
Здесь RT1 это сопротивление термистора в нижней точке температурного диапазона, RT3 - в верхней точке, RT2 - в средней. Фактически, это аппроксимация участка характеристики термистора прямой линией.
У метода есть очевидные ограничения. Во первых, он применим только для относительно узких рамок измеряемой температуры и неприемлем для полного диапазона. Во вторых, погрешность измерения будет разной в пределах лианеризованного диапазона температур. В третьих, чувствительность такого "комбинированного" датчика будет заметно ниже чувствительности термистора.
Один из вариантов лианеризации предложен в книге Texas Instruments "Analog Engineer's Circuit: Amplifiers" (декабрь 2018 года). Я не буду перерисовывать схему, просто приведу фрагмент книги. Так что не удивляйтесь нестандартному обозначению компонентов
Эта схема предназначена для подключения к АЦП, но может использоваться и в чисто аналоговых конструкциях. На схеме показаны уже рассчитанные параметры элементов, включая опорное напряжение.
Выходное напряжение схемы определяется формулой
По сути, здесь используется та же самая идея замены участка характеристики прямой. Только напряжение на вход усилителя подается не с термистора, а с второго резистора делителя. И точно так же, она не обеспечивает лианеризации полного диапазона температур.
Сопротивление резистора R1 вычисляется как среднее геометрическое сопротивлений термистора при минимальной и максимальной температурах диапазона измерений.
После чего можно рассчитать минимальное и максимальное напряжения на входе ОУ. Необходимый коэффициент усиления определяется как отношение ΔUвых/ΔUвх. После этого можно рассчитать сопротивления R2 и R3, как это обычно делается для ОУ.
Остается рассчитать опорное напряжение подставив все рассчитанные значения в формулу для выходного напряжения, которая приведена выше.
Заключение
Термисторы появились немного позже термопар и RTD. Они очень нелинейны, но имеют высокую чувствительность и довольно дешевы. Я очень не уверен, что сегодня имеет смысл применять их для точного измерения температуры, так как их температурный диапазон перекрывается полупроводниковым датчиками температуры, о который пойдет речь в следующей статье.
Но для контроля температуры и ее регулирования в аналоговых схемах термисторы вполне подходят. Например, регулирования скорости вращения вентилятора охлаждения радиаторов мощных транзисторов. Или в термостатах, обеспечивающих поддержание температуры в заданных пределах.
Поэтому не стоит списывать их со счетов, как измерительные элементы. Но решение, стоит их использовать в конкретной конструкции, или выбрать другой тип датчика, остается за вами.
