Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2015
Ken Wada
embedded.com
Температура является одним из наиболее распространенных параметров, регистрируемых встраиваемой системой. Для таких измерений существует широкий выбор датчиков температуры. Диапазон типов датчиков простирается от экзотических детекторов черного тела до простейших резистивных сенсоров, включая все множество типов, находящихся между этими полюсами. В этой статье я кратко расскажу о терморезисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC термисторы) – одних из самых распространенных датчиков температуры, используемых в различных встраиваемых системах.
Термисторы
Термистор представляет собой резистивный элемент, как правило, изготовленный из полимера или полупроводника, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Этот тип устройства не следует путать с резистивным датчиком температуры (RTD). Обычно RTD гораздо точнее, стоят дороже и охватывают более широкий диапазон температур.
Существуют два типа термисторов, отличающихся характером зависимости сопротивления от температуры. Если значение сопротивления уменьшается с ростом температуры, мы называем это устройство термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Если сопротивление с ростом температуры возрастает, это устройство известно как термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC). Как правило, PTC-устройства используются как средства защиты, а NTC-устройства применяются в качестве термодатчиков. Очень часто NTC термисторы применяются для контроля PN-переходов широкополосных лазерных диодов.
Еще одной характеристикой терморезистора является стоимость. В небольших партиях типичный термистор стоит, как правило, от $0.05 до $0.10 за штуку. Низкая цена и простота подключения делают эти устройства весьма привлекательными для встраиваемых приложений.
Типичный диапазон измерения температуры термистора составляет от –50 °C до +125 °C. Большинство приложений, использующих термисторы, работает в диапазоне от –10 °C до +70 °C, или, как его называют, в коммерческом диапазоне температур окружающей среды.
Типовая погрешность сопротивления термистора достаточно велика. Большинство термисторов изготавливается с допустимым отклонением сопротивления ±5%.
Однако их точность вполне приемлема. Как правило, мы можем рассчитывать, что она находится в диапазоне от ±0.5% до ±1.0%.
Выражение, связывающее температуру и сопротивление термистора, известно как уравнение Стейнхарта-Харта. Это нелинейное уравнение показано ниже.
|
||||
На Рисунке 1 показан график зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора ERTJZET472 компании Panasonic. Этот график показывает, что на линейной шкале зависимость сопротивления от температуры очень нелинейна.
 |
|
| Рисунок 1. | График зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора компании Panasonic. |
Как правило, термисторы оцениваются по параметру, известному как значение R25. Это типовое сопротивление термистора при 25 °C. Значение R25 для данного термистора составляет 4700 Ом.
Мы можем легко подключить термистор к маломощному источнику тока. Затем мы можем считать напряжение с помощью АЦП и сравнить полученный результат с соответствующей строкой просмотровой таблицы, чтобы узнать истинную температуру. Мы также можем попытаться линеаризовать зависимость сопротивления от температуры.
В некоторых системах с ограниченной памятью мы просто не можем позволить себе такую роскошь, как создание таблицы преобразования. Поэтому в таком приложении показания термистора мы попытаемся линеаризовать.
Приближение первого порядка показывает нам, что сопротивление термистора примерно обратно пропорционально температуре. Учитывая это, мы можем создать схему обратной пропорции, чтобы попытаться линеаризовать кривую зависимости сопротивления от температуры. Из Рисунка 2 видно, как это делается.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема линеаризации характеристики NTC термистора. |
Если бы мы действительно хотели сэкономить деньги, то могли бы убрать источник опорного напряжения. Для этого потребуется определенная дополнительная фильтрация, чтобы устранить любые шумы источника питания. Важно, что АЦП и термисторная цепь имеют один источник опорного напряжения. Это позволяет нам использовать логометрический метод измерения для термистора относительно показаний АЦП. То есть, измерение будет независимым от напряжения возбуждения интерфейсной цепи термистора.
Показания температуры зависят только от сопротивления смещения (RB) и сопротивления термистора (RTH). Мы можем назвать их отношение коэффициентом деления (D). Выражение для коэффициента деления не отличается от выражения для простого делителя напряжения (Уравнениие 2).
|
||||
На Рисунке 3 показан набор кривых для различных значений сопротивления смещения линеаризующей цепи термистора. Эти графики также демонстрируют достаточную степень линейности в диапазоне от 0 до 70 °C; при этом наилучшая линейность достигается с более низким сопротивлением резистора смещения.
 |
|
| Рисунок 3. | График зависимости коэффициента деления от температуры при различных значениях сопротивления смещения. |
Другим, более хорошим способом взглянуть на это является изображение на графике разности между значениями температуры, взятыми из документации, и линеаризованными значениями. Такой график приведен на Рисунке 4. Этот рисунок также демонстрирует, что лучшая линейность достигается при меньшем значении сопротивления смещения. График показывает, что резистор номиналом 2 кОм даст линейность примерно ±3 °C в диапазоне температур от 0 до 70 °C.
 |
|
| Рисунок 4. | Относительные ошибки для различных сопротивлений резисторов смещения. |
В этом примере линейное выражение для зависимости температуры от коэффициента сопротивлений при номинале резистора смещения 2 кОм приведено в Уравнении 3.
|
||||
Здесь:
T – температура в градусах Цельсия,
D – коэффициент деления.
На резистивный делитель и АЦП подается одно и то же опорное напряжение. Таким образом, мы можем легко вывести зависимость коэффициента деления от показаний АЦП. Если предположить, что преобразователь имеет разрядность N бит, то получим соотношение, показанное в Уравнении 4.
|
||||
Здесь:
D – коэффициент деления,
ADC – показания АЦП,
N – разрядность АЦП (количество бит).
Подставив Уравнение 4 в Уравнение 3, получим выражение, связывающее показания АЦП с температурой. Оно представлено Уравнением 5.
|
||||
Выводы
Иногда, как разработчикам встраиваемой электроники, нам приходится решать проблему подключения датчика к системе. В этой статье я рассмотрел простую схему датчика температуры на основе термистора и показал, как линеаризовать температурную зависимость сопротивления.
Одним из основных преимуществ использования термисторов является их цена. Как правило, при покупке в небольших количествах эти датчики стоят примерно от $0.05 до $0.10. Точность для этих датчиков вполне приличная. Обычно допуск сопротивления или допуск R25 для этих устройств составляет от ±3% до ±5%. Поэтому схема линеаризации с нелинейностью ±3 °C также может считаться удовлетворительной.
Конечно, мы всегда можем использовать более дорогой датчик, который даст более точный результат. К подобным типам датчиков можно отнести:
- Датчики с PN-переходом. Низкая стоимость, приемлемая точность.
- Микросхемы датчиков температуры. Обычно они представляют собой некоторую разновидность датчиков с PN-переходом.
- Резистивные датчики температуры (RTD). Они, как правило, очень точны и значительно дороже.
- Термопары. Их диапазон измерения обычно намного больше, а цена сравнительно невысока.
- Инфракрасные датчики. Чаще всего их используют для измерения тепловых излучений, уровни которых затем преобразуют в температуру.
Это лишь несколько из тех методов, с помощью которых можно измерять температуру. О некоторых из них, возможно, я смогу рассказать в будущей статье.
А как вы измеряете температуру в своей встраиваемой системе? Вы видите, что я показал очень дешевый способ измерения этого физического параметра. Но помимо него существует еще уйма других методов.
