techff

  • 1035 主题
  • 1068 帖子
  • 1926 积分
  • 身份:LV4 高级技术员
  • 论坛新秀 灌水之王
  • E币:464

如何使用热敏电阻精确检测温度

2020-9-25 17:02:44 显示全部楼层
作者:Bill Schweber        
            
温度是测量最广泛的物理量,而热敏电阻则是最常用的测温传感器。热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件,可以使用许多不同的材料制成。其基本物理原理很简单:电阻随温度以某种可预测和可重复的关系而变化。此外,由于热敏电阻在电气上看起来像电阻器,因此测量其阻值看似简单:一个合适的电路接口,加上相当简单的拓扑结构。
但是,使用热敏电阻测量温度时要想获得一致和准确的结果,那就要涉及一个复杂的决策矩阵,事关电压或电流源驱动、单点和多点校准、范围和跨度以及不同热敏电阻材料影响等因素。本文将探讨并解释热敏电阻问题、方案选择以及权衡因素。我们将通过 Murata Electronics 的样件来帮助解释热敏电阻的工作原理、规格及其应用。同时本文还将介绍并展示 Texas Instruments 的新型热敏电阻系列,看它们是如何解决这些热敏电阻缺点的。

测量选择何其多

对于接触式温度传感器来说,设计人员有多种选择:热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)、固态电流源和热电偶。每个选择都有不同的属性组合,涵盖各种关键参数,包括温度范围、线性度、精度、灵敏度、功耗、外部电路、接口和成本(表 1)。没有所谓“理想的”温度传感器,因为在这些参数中,每个传感器都具有相对于其他传感器的优点和缺点。
表 1:四种最常见接触式温度传感器比较展示了各自的相关属性。热敏电阻具有最佳的灵敏度,但线性度差,通常需要配套相对简单的外部电路。(表格来源:Digi-Key Electronics)
尽管热敏电阻的线性度稍差且经常需要按单位进行校准,但它仍是一个使用非常广泛的温度传感器。从电气上看,它看起来像一个简单的两端子电阻器,其测量阻值与所检测温度呈单调函数关系。由于应用广泛,它有许多等级和封装类型选择,包括引线类型和表面贴装技术 (SMT) 选择。

热敏电阻的特性和参数
与任何传感器一样,热敏电阻也具有一些一级参数,设计人员在选择或使用它们时必须考虑这些参数。其中有些参数可能看起来不直观,或者与传统传感器的感觉不一致,但是是可控的,只需对细节进行适当处理即可。
热敏电阻有两种基本类型(图 1)。一种通常由多晶陶瓷制成,具有负温度系数 (NTC),其电阻随温度升高而降低。另一种称为正温度系数 (PTC) 热敏电阻,通常由半导体材料制成。顾名思义,PTC 就是具有正温度系数。请注意,PTC 和 NTC 器件特性曲线不是互补的“镜像”关系。相反,每个都有自己独特的曲率。
图 1:NTC 和 PTC 热敏电阻具有相反的和非互补的电阻-温度曲线,并且都是高度非线性的。注意,左边的刻度是相对电阻,不是绝对电阻。(图片来源:Ametherm, Inc.)
一个明显的问题是,对于既定应用是使用 PTC 还是 NTC 热敏电阻。在某些情况下,选择与单个器件的规格与应用的匹配程度几无关系。通常,NTC 器件可能更适合精密测量。相比之下,PTC 热敏电阻通常在限流或开关应用中使用,因为其电阻在称作居里点的特定温度点会开始快速、明显地增加。但是,新型 PTC 器件正在扩展 PTC 器件的适用性。我们稍后再对此详细讨论。
在另一种情况下,选择 PTC 还是 NTC 可能很关键。如果将热敏电阻直接用于模拟闭环反馈配置,以维持可变的设定点,则电阻变化相对温度的斜率至关重要,并且要是控制回路配置的函数。
例如,如果热敏电阻是用于通过控制流向加热元件的电流来维持温度设定点的回路的一部分,则其电阻应随温度的升高而增加,以减少流向加热元件的电流,因此,此时 PTC 热敏电阻就是合适的选择。当然,如果出于其他原因而选择了 NTC 器件,则可以使用配置为反相缓冲器的运算放大器来反转所表现的斜率。
历史记载:惠普的第一个商用产品——经典的 200A 型音频振荡器,于 1942 年获得专利,在负反馈回路中使用了白炽灯泡灯丝作为大型 PTC 来稳定放大器的输出幅度。尽管从形式上看这不是热敏电阻,但灯丝却充当了热敏电阻,而且自校正电路拓扑在当时是一项重大创新。
热敏电阻主要性能参数包括
• 25°C 时的标称电阻值。热敏电阻最初是根据供应商的选型指南中在该温度下电阻的标称值进行分类的。通过改变其特定组成,就可以制造出在该温度下具有多种不同阻值的热敏电阻。热敏电阻的标称值可低至 10 欧姆 (Ω),高至 1 兆欧 (MΩ)。大多数应用使用在 25 °C 下额定值为 100 Ω 至 10 千欧 (kΩ) 的热敏电阻。
• 灵敏度,这是对温度系数的更详细阐示。该参数不是常数,而是温度本身以及热敏电阻组成的函数。规格书上一项关键指标就是对它进行详细定义。与在整个范围内具有恒定或接近恒定温度系数值的其他传感器相比,这也是使热敏电阻的选择和有效使用更具挑战性的因素之一。
灵敏度低会影响温度测量的精度。通常情况下,NTC 热敏电阻在低温时具有很高的灵敏度,因为它们的电阻值会呈指数级非线性下降。然而在高温时,其灵敏度会急剧下降,如果此时电阻公差也很大,可能导致温度读数不正确。但是,如果热敏电阻的测量范围很宽,那么高灵敏度也会导致模拟前端 (AFE) 和相关的模数转换器 (ADC) 超限和饱和。因此,要在灵敏度和要测量的范围之间进行权衡。
温度系数 alpha(α 或 A) 定义为给定点电阻 (R) 对温度的关系曲线的斜率,并使用等式 1 进行计算:
等式 1
其中,α 以 %/°C 表示。
但是,alpha 本身不是固定的,而是热敏电阻在温度曲线上所处位置的函数。为了更好地表征,行业定义了另一个常数系数 β(β 或 B),称为灵敏度指数或所用材料的常数。为了在定义的子范围内获得 R 作为温度函数的近似值,我们使用了等式 2:
等式 2
β 用于描述更精确的电阻温度曲线,比如规格 "3380 25/50" 表示在 25°C 至 50°C 的温度范围内,β 常数为 3380。
• 其他参数包括热时间常数 (TTC),这是热敏电阻阻值达到新旧温度差 63% 所需的时间。还有一个散热常数 (TDC),与流经热敏电阻的电流不可避免地引起自发热有关。TDC 是将热敏电阻温度提高 1°C 所需的功率量,单位为毫瓦/°C (mW /°C)。通常,应将功耗保持在尽可能低的水平,以防止引起自身发热和后续误差。
例如,Murata NCP15XH103J03RC 是一种芯片级 SMT 热敏电阻,提供 0805、0603 和 0402 封装,最小尺寸仅为 1.0×0.5 毫米 (mm)。每个规格的临界 β 参数都是相同的值。表 2 汇总了该 10kΩ/25°C 器件的主要参数,并指出了不同范围内的 β 值;图 2 中的关联图表还显示了这一温度型信息。
表 2:评估热敏电阻(如 Murata NCP15XH103J03RC)的最关键规格包括 25°C 时的标称电阻、公差和关键温度下的 B 值。(表格来源:Murata Electronics)
图 2:此图将 Murata NCP15XH103J03RC 的 β (B) 值、温度和-20°C 至 +120°C 的 R/R25 因子联系在一起。(图片来源:Murata Electronics)
请注意,此图针对热敏电阻——几乎与任何组件一样,无论它最初看起来多么简单或端子数量如何的少——都需要考虑许多其他的一级、二级甚至三级规格。对于热敏电阻而言,其中许多与各种规格的初始公差以及这些规格的温度系数有关。

驱动和检测热敏电阻
由于它是基于电阻的传感器,因此驱动热敏电阻并检测其阻值在原理上非常简单。与电压源温度传感器(例如热电偶)不同,热敏电阻需要适度的电压或电流激励才能测量其电阻。最简单的方法是使用基本恒压源和分压器电路(图 3)。输出电压 (VTEMP) 可以使用等式 3 计算:
等式 3
图 3:原则上只需一个简单的电压源和电阻式分压器即可测量热敏电阻对应于 VTEMP 的阻值。(图片来源:Texas Instruments)
当然,实际上,通常最好使用比例式或电桥拓扑结构,以最大程度地减小电源和偏置电阻变化的影响。
在测量电阻和电阻变化时,在许多设计中的首选替代方案是使用恒流电流源(图4)。这里的 VTEMP 可以使用等式 4 计算:
等式 4
图 4:由于电流源改善了性能并可控制电压读数,因此经常使用的是电流源而不是电压源和分压器。(图片来源:Texas Instruments)
这提供了出色的线性度,并更好地控制了热敏电阻两端电压的灵敏度。
下一个问题涉及处理热敏电阻两端所检测到的电压的 AFE。对于阈值和开关型应用来说,这可以通过比较器将输出从高电平转换为低电平方式来解决,反之亦然。
如果需要实际温度值,情况就更加复杂了,而这才是常见的情形。现在,必须解决热敏电阻非线性特性的校准和校正问题。NTC 和大多数 PTC 热敏电阻的输出在某种程度上是可预测的并且是高度非线性的,厂家提供的特性曲线则定义了既定热敏电阻类型的电阻-温度关系。
设计师有几种选择,可将代表电阻的电压读数转换为准确的温度值:
• 设计人员可以使用多个热敏电阻的步进阵列,每个热敏电阻覆盖整个温度范围的一小部分,以构建一个分段线性逼近。此外,通过在每个热敏电阻上增加一个电阻,可以稍微改善每个热敏电阻的线性度,但会造成组件成本、电路板空间、库存管理成本和功率增加(图 5)。
图 5:无论是使用电压还是电流源驱动热敏电阻,添加并联电阻都会改善其线性度,但会增加组件 BOM 成本和功耗。(图片来源:Texas Instruments)
• 设计人员可以用软件实现分段线性逼近,将整个范围分为多个较小的范围。然后,软件可以使用具有合适系数的简单线性方程式来线性化和校正每个分段上的读数。这种方法需要适当的处理器资源和时间,以及适当的内存需求。
• 设计人员可以建立一个对电阻与实际温度进行枚举的查找表 (LUT)。这样使用的处理器资源和时间最少,但是会随着查询表粒度的变小成比例地增加存储空间的需求。插值可以以适度的计算成本减少存储空间需求。
• 最后,系统可以使用复杂的曲线拟合方程,使用的存储空间最少,但处理资源占用却很大。
例如,可以使用经典的 Steinhart-Hart 方程对 NTC 热敏电阻的读数进行校正,这是一个曲线拟合方程,精确表达了热敏电阻的 R-T 曲线,如等式 5 所示:
等式 5
其中 T 是开氏温度,R 是计算得出的电阻值,A、B 和 C 是由设计人员确定的或由热敏电阻厂家提供的计算系数;不言而喻,这就是所谓的“三点校准”。
综上所述,各种校正方法都需要在电路和组件、所需存储空间和处理资源之间进行权衡。

选择热敏电阻的电阻范围
在选择热敏电阻时,要想找到一个在目标温度范围内具有最佳阻值的器件是一项挑战。在某些方面,这类似于为分流电阻器电流检测确定电阻器的大小,但在其他方面,则完全不同。
目的是选择一个电阻器件,使它两端的电压降是电路在没有过载的情况下可以接受的最大电压降。这样可以最大程度地提高动态范围、有效分辨率和信噪比 (SNR)。对于带有固定电阻器的分流器来说,电流与电压的关系显然是线性的。但是,使用较大阻值电阻器来适应该这种跨度也将导致在既定电流水平下产生更多的自热,这代表有功率浪费,并且还会导致传感器自热增加。
尽管如此,这种分流电阻器/热敏电阻的类比也是有区别的。对于电流检测分流器,电阻是已知的,而电流是未知的。对于热敏电阻,情况则相反:来自电流源的电流或来自电压源的电压已知,但是电阻是未知变量。由于热敏电阻的阻值变化是非线性的,因此它可能突然急剧增加,导致其两端的电压也增加,可能超过可接受的值。PTC 热敏电阻在达到居里点温度时尤其如此。简而言之:热敏电阻布置没有电流检测分流电阻器设计的明确限制。
公差和灵敏度漂移也是影响因素。热敏电阻的各种参数与其标称值相比具有相对较大的公差,因此任何建模都必须包括均方根 (rms)和最坏情况规格的分析,以确保性能保持在电路能力和误差范围内。

新型 PTC 热敏电阻克服了长期存在的问题
设计人员在使用热敏电阻时需要权衡冲突问题。一方面,它们价格便宜、接口电路简单且体积小;所有这些都有助于布置和响应。另一方面,它们的校准和准确性问题可能会与它们的使用相抵触,因为它们消耗了宝贵的设计导入资源,并且需要处理器资源才能让大多数设计获得足够的读数。根据解决这些问题的方法的执行鲁棒性要求不同,误差可以很容易从 ±2˚C 上升到该值两倍。
这种误差对于许多应用来说是可以接受的,但也有许多应用是不可接受的。退一步来说,使用热敏电阻的基本挑战是其高度非线性温度敏感性以及固有的公差和规格漂移。这种组合通常会导致难以进行取舍和折衷,这在建模分析时很明显。
以 TMP6131DYAR 为代表的 Texas Instruments 新型硅基 PTC 热敏电阻系列,极大地减少了此类问题的烦扰。它在整个温度范围内实现了线性和一致的灵敏度,从而扩展了热敏电阻的适用性(图6)。
图 6:Texas Instruments 的硅基 TMP6131DYAR 线性 PTC 热敏电阻在整个温度范围内具有线性和一致的灵敏度。(图片来源:Texas Instruments)
这款 ±1%、10kΩ(在 25°C 下)热敏电阻提供 0402 和 0603 封装选项,具有较小的热质量,可实现快速响应。尽管其尺寸很小,但低功耗工作方式仍可将自发热降至最低。TMP6131DYAR 设计用于 -40°C 至 +125°C 的温度范围,因此可满足绝大多数应用需要。同时它还提供通过汽车资质认证的器件等级,这很有用,因为 EV/HEV/ICE 车辆都具有大量的“隐藏”的温度点,必须对其进行检测和监控。
而且,由于它们的材料组成和一致的电阻灵敏度,因此这些基于硅的线性热敏电阻具有更稳定的电阻公差。例如,一个典型的 NTC 热敏电阻在超出 25°C 时,其电阻公差要比其规格书中在该温度下的标称值大得多。在某些情况下,电阻公差可以从 25°C 的 ±1% 增加到 -40°C 和 150°C 的 ±4%,甚至更高。
相比之下,这些硅基线性热敏电阻的灵敏度值要一致得多,从而可以在整个温度范围内实现稳定的测量。图 7 展示了 TMP6131DYAR 相当线性的 R-T 曲线特性。
图 7:与其他 PTC 热敏电阻形成鲜明对比的是,TMP6131DYAR 具有近乎线性的温度-电阻曲线。(图片来源:Texas Instruments)
这种更线性的特征的另一个好处是,对于这些硅基热敏电阻而言,不需要复杂的额外 Steinhart-Hart 方程校准即可以实现增强的性能。取而代之的是,可以使用更简单的四阶多项回归等式(等式 6)进行校准,从而大大减少了处理负担。
等式 6
其中 T 是摄氏温度,R 是计算得出的电阻值,A (0–4) 是提供的多项式系数。
表 3 展示了传统 NTC 热敏电阻与这些硅基 PTC 器件相比的相对属性。
表 3:TI 硅基 PTC 热敏电阻的对照属性显示出优于常规 NTC 热敏电阻的明显优势。(表格来源:Texas Instruments)
启动并运行 TMP6131DYAR
热敏电阻在电路中连接相当容易,但是仍然需要评估,以根据应用目标微调其性能。为了加快这一过程,Texas Instruments 提供了 TMP6EVM——用于 TTMP6131DYAR 的原型评估模块 (EVM)(图 8)。用户指南详细描述了该评估板的特性、操作和使用。该评估板同时还包括一块多行 LCD 显示屏,因此在设置和评估时,可以轻松地向用户显示消息。
图 8:像 TMP6131DYAR 这样用于热敏电阻的 TMP6EVM 评估模块简化了热敏电阻在特定目标应用中的采用。(图片来源:Texas Instruments)
图 9 中的 EVM 框图可以更清楚地了解其提供的功能。
图 9:TMP6EVM 评估模块框图显示了其自足式的设计,包括用于与热敏电阻交互的 LCD。(图片来源:Texas Instruments)

总结
热敏电阻是被广泛使用的易于连接的多功能测温传感器。但是,它们固有的非线性、公差和漂移特性意味着,设计人员必须仔细研究规格书,确定可行范围,对性能和误差范围进行建模,并要采取校准方案。

最新评论

楼层直达:
我要评论
0
9
广告
关闭 热点推荐上一条 /7 下一条
快速回复 返回列表