Учитывая их низкую стоимость, небольшие размеры, прочную конструкцию, точность, универсальность и чувствительность, неудивительно, что термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) являются одними из самых популярных доступных датчиков температуры. Однако функция их температурного отклика крайне нелинейна (буквально экспоненциальна), что делает возбуждение, оцифровку и обработку сигнала интересными конструкторскими задачами.
 |
|
| Рисунок 1. | Базовая схема пассивного возбуждения термистора: емкость CX, предназначенная для подавления шумов, возможно равна 100 нФ; RX – резистор возбуждения. |
В техническом описании типичного NTC термистора (например, Molex 2152723605) термоэлектрические свойства описываются четырьмя параметрами (пункты с 1 по 5 ниже), показанными на Рисунке 1 (цифры взяты из описания 2152723605):
- T0 – номинальная/калибровочная температура (25 °C = 298.15 K).
- R0 – сопротивление при температуре T0 – 10 кОм ±1%.
- β = 3892 K.
- Коэффициент рассеяния (саморазогрев) – 1.5 мВт/°C.
Тогда сопротивление термистора RT как функция температуры T в Кельвинах прогнозируется следующим образом:
Применяя классический принцип «не усложняй», мы увидим на Рисунке 1 кандидата на простейшую схему для получения сигнала от термистора, а также некоторые базовые формулы для выделения значения температуры из его выходного сигнала и параметров 1, 2 и 3 из списка сверху.
Помимо (очень некритичной) емкости CX и самого термистора, единственным компонентом на Рисунке 1 остается резистор RX. Как лучше всего выбрать его сопротивление?
Интуиция подсказывает, а математика подтверждает, что оптимальный (по крайней мере, почти оптимальный) выбор – это сделать RX равным сопротивлению термистора в середине диапазона измерения температуры, требуемого приложением. Тогда при упомянутой температуре в средней точке (назовем ее TX) на выходе будет напряжение V = VREF/2 и, таким образом, разрешение АЦП будет симметрично распределено по диапазону измерений. Формула в пункте 5 подсказывает, как этого добиться.
Предположим, что мы выбрали диапазон измерений от 0 °C до 100 °C, тогда TX = 50 °C = 323.15 К, и арифметика пункта 5 подсказывает нам (при использовании чисел из описания термистора Molex):
RX = 3643 Ом (ближайшее стандартное значение в ряду 1% – 3650 Ом).
Теперь, если нам удобно выбрать VREF = 5 В как для входа RX, так и для входа опорного напряжения АЦП (поскольку это логометрическое измерение, абсолютное значение VREF относительно неважно), мы можем установить:
(Здесь ADC – код АЦП). Тогда
И дело сделано!
Или нет? А как же коэффициент рассеяния (саморазогрева) 1.5 мВт/°C?
Очевидно, что мы не хотим, чтобы саморазогрев термистора существенно мешал измерению температуры. Разумный предел погрешности саморазогрева может составлять полградуса, и в случае коэффициента 1.5 мВт/°C для термистора 2152723803 это потребовало бы ограничить максимальное рассеяние значением не более
Рассеяние достигает максимума
когда RT = RX, и при VREF = 5 В составляет
Ничего себе! Это более чем в два раза превышает приемлемую максимальную погрешность саморазогрева. Что же делать? Не волнуйтесь, решение предлагает Рисунок 2.
Снова обращаемся к числам из описания термистора 2152723605 и сохраняем VDD = 5 В:
RVDD = 8333 – 3650 = 4.7 кОм,
PMAX = 0.749 мВт,
2.8 В < VREF < 5 В.
Обратите внимание, что если математика Рисунка 2 дает нулевое или отрицательное значение RVDD, то резистор RVDD не требуется, и оригинальная схема на Рисунке 1 будет работать просто отлично.
 |
|
| Рисунок 2. | Резистор RVDD ограничивает максимальный саморазогрев термистора до значения PMAX. |
Хотя VREF будет меняться в зависимости от RT и, следовательно, от температуры, монолитные АЦП с внешним опорным напряжением обычно очень толерантны к изменениям VREF в пределах указанного диапазона и, несмотря на эти изменения, будут выполнять точные логометрические преобразования.
А вот теперь дело сделано! Нам просто нужно было продолжать мыслить позитивно.
