«Линейный» терморезистор с положительным ТКС преодолевает недостатки NTC термисторов

Bill Schweber

Electronic Design

Семейство PTC термисторов решает проблемы ошибок калибровки и линейности, связанные с обычными NTC устройствами

Температура является наиболее широко измеряемой физической переменной, и для ее измерения у разработчиков есть много вариантов датчиков, включая термопары, термометры сопротивления, твердотельные сенсоры с токовыми выходами и термисторы – и это лишь часть из того, что приходит на ум. Среди них термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) широко используются для измерения температуры в промышленных, автомобильных, медицинских, контрольно-измерительных и бытовых приложениях из-за их низкой стоимости, широкого диапазона и относительной простоты подключения.

Однако NTC термисторам присущи хорошо известные недостатки. Наряду с большим температурным коэффициентом сопротивления (что, разумеется, хорошо), они имеют сильно нелинейную (хотя и гладкую) зависимость сопротивления от температуры (не хорошо). В результате для их эффективного использования разработчики схем и систем должны реализовать одну или несколько стратегий. Такие методы включают многоточечную калибровку, использование нескольких термисторов с перекрывающимися диапазонами, поисковые таблицы (часто с интерполяцией) или выполнение корректирующих вычислений на основе стандартного уравнения Стейнхарта-Харта (или упрощенной полиномиальной регрессии), моделирующих их передаточную функцию.

Признавая как их привлекательность, так и недостатки, Texas Instruments (TI) представила семейство основанных на кремнии термисторов с положительным температурным коэффициентом (PTC) – комплементарных к NTC устройствам и на 50% более точных. Например, высоколинейный PTC термистор TMP61 имеет номинальное сопротивление 10 кОм при 25 °C при максимальной нелинейности ±1% в интервале от 0 to 70 °C и может работать в диапазоне температур от –40 °C до +125 °C (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Типовая зависимость сопротивления от температуры датчика TMP61 демонстрирует довольно высокую степень линейности.

Он сохраняет постоянную чувствительность во всем диапазоне температур с температурным коэффициентом сопротивления (TCR) 6400 ppm/°C при 25 °C и типовым допустимым отклонением TCR, равным 0.2% во всем рабочем диапазоне. Его аналог TMP63 имеет номинальное сопротивление 100 кОм при 25 °C, тогда как сопротивление TMP64 равно 47 кОм. По сравнению с NTC-устройствами, термисторы требуют минимальных аппаратных или программных средств линеаризации или не нуждаются в них вовсе, калибруются только в одной точке, имеют меньший разброс отклонений сопротивления и обеспечивают лучшую чувствительность при высоких температурах.

TI утверждает, что, исключая необходимость в схемах линеаризации или в дополнительных NTC термисторах, эти PTC термисторы упрощают конструкцию, снижают стоимость системы и сокращают требуемую площадь печатной платы, как минимум, на 33% по сравнению с термисторами NTC.

Как и для всех устройств, особенно датчиков температуры, часто работающих в агрессивных средах, существует вероятность отказа PTC термистора. Термисторы могут работать от источника напряжения или тока (Рисунок 2), и, хотя у каждого подхода к питанию есть свои плюсы и минусы, в обоих случаях короткое замыкание может иметь неприятные последствия для всей системы. По этой причине устройства TI имеют встроенную «защиту от отказов» на случай короткого замыкания.

Рисунок 2.	Для питания резистивного элемента – термистора – может использоваться источник напряжения (слева) или источник тока (справа). На практике в большинстве схем, управляемых напряжением, используют логометрический метод измерения, чтобы нейтрализовать влияние дрейфа источника.

Конечно, большое значение при измерениях температуры имеют физические размеры датчиков, поскольку тепловая масса влияет как на время отклика, так и на возможность размещения датчика в нужном месте. TMP61 выпускаются в корпусах нескольких типов, в том числе, в корпусе размером 0.60 × 1.00 мм (совместимом с 0402), в TO-92S (4.00 × 3.15 мм) и в SOT-5X3 (0.80 × 1.20 мм). TMP63 поставляется в корпусе размером 0.60 × 1.00 мм, а также в других корпусах TMP. Кроме того, 10-килоомные термисторы TMP61 и 100-килоомные TPM63 выпускаются в версиях для использования в схемах автомобильной электроники. Цена одного термистора в партиях из 1000 устройств начинается от $0.05.

Рисунок 3.	Оценочный набор TMP6EVM для термисторов семейства TMP61 поддерживается подробным руководством и графическим интерфейсом пользователя для ПК с ОС Windows.

Для тестирования приборов и оценки их возможностей TI предлагает оценочный набор TMP6EVM, источником питания которого может служить напряжение 5 В интерфейса USB или батарейка CR2032 (Рисунок 3). Этот автономный модуль содержит выпускаемый компанией цифровой датчик TMP116, используемый в качестве локального эталона температуры, а также два аналоговых канала. Секция датчика может быть отделена от основной платы для эмуляции системы, в которой датчик удален от хост-контроллера (обычная ситуация), в то время как на ЖК-дисплее в реальном времени отображаются потоковые данные измерений температуры с частотой обновления 2 Гц.

Материалы по теме