Ini adalah artikel pertama dari seri dua bagian. Artikel ini pertama-tama akan membahas sejarah dan tantangan desainsuhu berbasis termistorSistem pengukuran, serta perbandingannya dengan sistem pengukuran suhu termometer resistansi (RTD). Artikel ini juga akan menjelaskan pilihan termistor, kompromi konfigurasi, dan pentingnya konverter analog-ke-digital (ADC) sigma-delta dalam area aplikasi ini. Artikel kedua akan merinci cara mengoptimalkan dan mengevaluasi sistem pengukuran berbasis termistor yang telah selesai.
Sebagaimana dijelaskan dalam seri artikel sebelumnya, Mengoptimalkan Sistem Sensor Suhu RTD, RTD adalah resistor yang resistansinya berubah seiring suhu. Termistor bekerja serupa dengan RTD. Tidak seperti RTD yang hanya memiliki koefisien suhu positif, termistor dapat memiliki koefisien suhu positif atau negatif. Termistor dengan koefisien suhu negatif (NTC) menurunkan resistansinya seiring kenaikan suhu, sementara termistor dengan koefisien suhu positif (PTC) meningkatkan resistansinya seiring kenaikan suhu. Gambar 1 menunjukkan karakteristik respons termistor NTC dan PTC pada umumnya dan membandingkannya dengan kurva RTD.
Dalam hal rentang suhu, kurva RTD hampir linear, dan sensornya mencakup rentang suhu yang jauh lebih luas daripada termistor (biasanya -200°C hingga +850°C) karena sifat termistor yang non-linear (eksponensial). RTD biasanya tersedia dalam kurva standar yang umum, sementara kurva termistor bervariasi tergantung produsennya. Kami akan membahas hal ini secara detail di bagian panduan pemilihan termistor dalam artikel ini.
Termistor terbuat dari material komposit, biasanya keramik, polimer, atau semikonduktor (biasanya oksida logam) dan logam murni (platinum, nikel, atau tembaga). Termistor dapat mendeteksi perubahan suhu lebih cepat daripada RTD, sehingga memberikan umpan balik yang lebih cepat. Oleh karena itu, termistor umumnya digunakan oleh sensor dalam aplikasi yang membutuhkan biaya rendah, ukuran kecil, respons lebih cepat, sensitivitas lebih tinggi, dan rentang suhu terbatas, seperti kontrol elektronik, kontrol rumah dan gedung, laboratorium ilmiah, atau kompensasi sambungan dingin untuk termokopel dalam aplikasi komersial atau industri. Aplikasi.
Dalam kebanyakan kasus, termistor NTC digunakan untuk pengukuran suhu yang akurat, bukan termistor PTC. Beberapa termistor PTC tersedia dan dapat digunakan dalam rangkaian proteksi arus lebih atau sebagai sekring yang dapat disetel ulang untuk aplikasi keselamatan. Kurva resistansi-suhu termistor PTC menunjukkan daerah NTC yang sangat kecil sebelum mencapai titik sakelar (atau titik Curie), di atasnya resistansi meningkat tajam beberapa kali lipat dalam kisaran beberapa derajat Celcius. Dalam kondisi arus lebih, termistor PTC akan menghasilkan pemanasan sendiri yang kuat ketika suhu sakelar terlampaui, dan resistansinya akan meningkat tajam, yang akan mengurangi arus masuk ke sistem, sehingga mencegah kerusakan. Titik sakelar termistor PTC biasanya antara 60°C dan 120°C dan tidak cocok untuk mengontrol pengukuran suhu dalam berbagai aplikasi. Artikel ini berfokus pada termistor NTC, yang biasanya dapat mengukur atau memantau suhu mulai dari -80°C hingga +150°C. Termistor NTC memiliki nilai resistansi mulai dari beberapa ohm hingga 10 MΩ pada suhu 25°C. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, perubahan resistansi per derajat Celcius untuk termistor lebih nyata dibandingkan termometer resistansi. Dibandingkan dengan termistor, sensitivitas dan nilai resistansi termistor yang tinggi menyederhanakan rangkaian inputnya, karena termistor tidak memerlukan konfigurasi kabel khusus, seperti 3-kawat atau 4-kawat, untuk mengkompensasi resistansi kabel. Desain termistor hanya menggunakan konfigurasi 2-kawat yang sederhana.
Pengukuran suhu berbasis termistor presisi tinggi memerlukan pemrosesan sinyal yang tepat, konversi analog-ke-digital, linearisasi, dan kompensasi, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.
Meskipun rangkaian sinyal mungkin tampak sederhana, terdapat beberapa kompleksitas yang memengaruhi ukuran, biaya, dan kinerja keseluruhan motherboard. Portofolio ADC presisi ADI mencakup beberapa solusi terintegrasi, seperti AD7124-4/AD7124-8, yang memberikan sejumlah keuntungan untuk desain sistem termal karena sebagian besar komponen yang dibutuhkan untuk suatu aplikasi sudah terintegrasi. Namun, terdapat berbagai tantangan dalam merancang dan mengoptimalkan solusi pengukuran suhu berbasis termistor.
Artikel ini membahas masing-masing masalah tersebut dan memberikan rekomendasi untuk menyelesaikannya serta menyederhanakan proses desain untuk sistem tersebut.
Ada berbagai macamTermistor NTCSaat ini, termistor tersedia di pasaran, sehingga memilih termistor yang tepat untuk aplikasi Anda bisa menjadi tugas yang rumit. Perlu diketahui bahwa termistor diurutkan berdasarkan nilai nominalnya, yaitu resistansi nominalnya pada suhu 25°C. Oleh karena itu, termistor 10 kΩ memiliki resistansi nominal 10 kΩ pada suhu 25°C. Termistor memiliki nilai resistansi nominal atau dasar mulai dari beberapa ohm hingga 10 MΩ. Termistor dengan peringkat resistansi rendah (resistansi nominal 10 kΩ atau kurang) biasanya mendukung rentang suhu yang lebih rendah, seperti -50°C hingga +70°C. Termistor dengan peringkat resistansi yang lebih tinggi dapat menahan suhu hingga 300°C.
Elemen termistor terbuat dari oksida logam. Termistor tersedia dalam bentuk bola, radial, dan SMD. Manik-manik termistor dilapisi epoksi atau dienkapsulasi kaca untuk perlindungan tambahan. Termistor bola, radial, dan permukaan berlapis epoksi cocok untuk suhu hingga 150°C. Termistor manik-manik kaca cocok untuk mengukur suhu tinggi. Semua jenis lapisan/kemasan juga melindungi dari korosi. Beberapa termistor juga memiliki rumah tambahan untuk perlindungan tambahan di lingkungan yang keras. Termistor manik-manik memiliki waktu respons yang lebih cepat daripada termistor radial/SMD. Namun, termistor ini tidak tahan lama. Oleh karena itu, jenis termistor yang digunakan bergantung pada aplikasi akhir dan lingkungan tempat termistor tersebut berada. Stabilitas jangka panjang termistor bergantung pada material, kemasan, dan desainnya. Misalnya, termistor NTC berlapis epoksi dapat berubah 0,2°C per tahun, sementara termistor tertutup hanya berubah 0,02°C per tahun.
Termistor tersedia dalam berbagai tingkat akurasi. Termistor standar biasanya memiliki akurasi 0,5°C hingga 1,5°C. Nilai resistansi termistor dan nilai beta (rasio 25°C hingga 50°C/85°C) memiliki toleransi. Perlu diketahui bahwa nilai beta termistor bervariasi tergantung produsennya. Misalnya, termistor NTC 10 kΩ dari produsen yang berbeda akan memiliki nilai beta yang berbeda pula. Untuk sistem yang lebih akurat, termistor seperti seri Omega™ 44xxx dapat digunakan. Termistor ini memiliki akurasi 0,1°C atau 0,2°C pada rentang suhu 0°C hingga 70°C. Oleh karena itu, rentang suhu yang dapat diukur dan akurasi yang dibutuhkan pada rentang suhu tersebut menentukan kesesuaian termistor untuk aplikasi ini. Perlu diketahui bahwa semakin tinggi akurasi seri Omega 44xxx, semakin tinggi pula biayanya.
Untuk mengonversi resistansi ke derajat Celcius, nilai beta biasanya digunakan. Nilai beta ditentukan dengan mengetahui dua titik suhu dan resistansi yang sesuai pada setiap titik suhu.
RT1 = Resistansi suhu 1 RT2 = Resistansi suhu 2 T1 = Suhu 1 (K) T2 = Suhu 2 (K)
Pengguna menggunakan nilai beta yang paling mendekati rentang suhu yang digunakan dalam proyek. Sebagian besar lembar data termistor mencantumkan nilai beta beserta toleransi resistansi pada suhu 25°C dan toleransi untuk nilai beta.
Termistor presisi tinggi dan solusi terminasi presisi tinggi seperti seri Omega 44xxx menggunakan persamaan Steinhart-Hart untuk mengonversi resistansi ke derajat Celcius. Persamaan 2 membutuhkan tiga konstanta A, B, dan C, yang juga disediakan oleh produsen sensor. Karena koefisien persamaan dihasilkan menggunakan tiga titik suhu, persamaan yang dihasilkan meminimalkan kesalahan yang disebabkan oleh linearisasi (biasanya 0,02 °C).
A, B, dan C adalah konstanta yang diperoleh dari tiga titik setel suhu. R = resistansi termistor dalam ohm T = suhu dalam K derajat
Gambar 3 menunjukkan arus eksitasi sensor. Arus penggerak dialirkan ke termistor dan arus yang sama dialirkan ke resistor presisi; resistor presisi digunakan sebagai referensi pengukuran. Nilai resistor referensi harus lebih besar atau sama dengan nilai tertinggi resistansi termistor (tergantung pada suhu terendah yang terukur dalam sistem).
Saat memilih arus eksitasi, resistansi maksimum termistor harus diperhitungkan kembali. Hal ini memastikan tegangan antara sensor dan resistor referensi selalu berada pada level yang dapat diterima oleh perangkat elektronik. Sumber arus medan memerlukan ruang bebas atau pencocokan keluaran. Jika termistor memiliki resistansi tinggi pada suhu terendah yang terukur, hal ini akan menghasilkan arus penggerak yang sangat rendah. Oleh karena itu, tegangan yang dihasilkan melintasi termistor pada suhu tinggi kecil. Tahap penguatan yang dapat diprogram dapat digunakan untuk mengoptimalkan pengukuran sinyal level rendah ini. Namun, penguatan harus diprogram secara dinamis karena level sinyal dari termistor sangat bervariasi seiring dengan perubahan suhu.
Pilihan lainnya adalah mengatur penguatan tetapi menggunakan arus penggerak dinamis. Oleh karena itu, ketika level sinyal dari termistor berubah, nilai arus penggerak juga berubah secara dinamis sehingga tegangan yang dihasilkan melintasi termistor berada dalam rentang input yang ditentukan oleh perangkat elektronik. Pengguna harus memastikan bahwa tegangan yang dihasilkan melintasi resistor referensi juga berada pada level yang dapat diterima oleh perangkat elektronik. Kedua pilihan ini memerlukan kontrol tingkat tinggi dan pemantauan tegangan yang konstan melintasi termistor agar perangkat elektronik dapat mengukur sinyal. Adakah pilihan yang lebih mudah? Pertimbangkan eksitasi tegangan.
Ketika tegangan DC diberikan pada termistor, arus yang melalui termistor secara otomatis berskala seiring dengan perubahan resistansi termistor. Dengan menggunakan resistor pengukur presisi, alih-alih resistor referensi, tujuannya adalah untuk menghitung arus yang mengalir melalui termistor, sehingga resistansi termistor dapat dihitung. Karena tegangan penggerak juga digunakan sebagai sinyal referensi ADC, tidak diperlukan tahap penguatan. Prosesor tidak bertugas memantau tegangan termistor, menentukan apakah level sinyal dapat diukur oleh perangkat elektronik, dan menghitung nilai penguatan/arus penggerak yang perlu disesuaikan. Metode inilah yang digunakan dalam artikel ini.
Jika termistor memiliki nilai resistansi dan rentang resistansi yang kecil, eksitasi tegangan atau arus dapat digunakan. Dalam hal ini, arus dan penguatan penggerak dapat diatur. Dengan demikian, rangkaian akan terlihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Metode ini praktis karena memungkinkan kontrol arus yang melalui sensor dan resistor referensi, yang sangat berguna dalam aplikasi berdaya rendah. Selain itu, pemanasan sendiri termistor dapat diminimalkan.
Eksitasi tegangan juga dapat digunakan untuk termistor dengan nilai resistansi rendah. Namun, pengguna harus selalu memastikan bahwa arus yang melalui sensor tidak terlalu tinggi untuk sensor atau aplikasinya.
Eksitasi tegangan menyederhanakan implementasi ketika menggunakan termistor dengan nilai resistansi yang besar dan rentang suhu yang lebar. Resistansi nominal yang lebih besar memberikan tingkat arus terukur yang dapat diterima. Namun, perancang perlu memastikan bahwa arus berada pada tingkat yang dapat diterima di seluruh rentang suhu yang didukung oleh aplikasi.
ADC Sigma-Delta menawarkan beberapa keunggulan saat merancang sistem pengukuran termistor. Pertama, karena ADC sigma-delta melakukan resampling input analog, penyaringan eksternal diminimalkan dan satu-satunya persyaratan adalah filter RC sederhana. ADC ini memberikan fleksibilitas dalam jenis filter dan laju baud output. Penyaringan digital bawaan dapat digunakan untuk menekan interferensi apa pun pada perangkat yang dialiri listrik. Perangkat 24-bit seperti AD7124-4/AD7124-8 memiliki resolusi penuh hingga 21,7 bit, sehingga memberikan resolusi tinggi.
Penggunaan ADC sigma-delta sangat menyederhanakan desain termistor sekaligus mengurangi spesifikasi, biaya sistem, ruang papan, dan waktu pemasaran.
Artikel ini menggunakan AD7124-4/AD7124-8 sebagai ADC karena keduanya merupakan ADC presisi, berarus rendah, dan memiliki PGA bawaan, referensi bawaan, masukan analog, dan buffer referensi.
Terlepas dari apakah Anda menggunakan arus penggerak atau tegangan penggerak, konfigurasi rasiometrik direkomendasikan di mana tegangan referensi dan tegangan sensor berasal dari sumber penggerak yang sama. Ini berarti bahwa setiap perubahan pada sumber eksitasi tidak akan memengaruhi akurasi pengukuran.
Pada gambar 5 menunjukkan arus penggerak konstan untuk termistor dan resistor presisi RREF, tegangan yang berkembang melintasi RREF adalah tegangan referensi untuk mengukur termistor.
Arus medan tidak perlu akurat dan mungkin kurang stabil karena kesalahan arus medan akan dihilangkan dalam konfigurasi ini. Umumnya, eksitasi arus lebih disukai daripada eksitasi tegangan karena kontrol sensitivitas yang lebih unggul dan kekebalan derau yang lebih baik ketika sensor berada di lokasi terpencil. Metode bias jenis ini biasanya digunakan untuk RTD atau termistor dengan nilai resistansi rendah. Namun, untuk termistor dengan nilai resistansi dan sensitivitas yang lebih tinggi, level sinyal yang dihasilkan oleh setiap perubahan suhu akan lebih besar, sehingga digunakan eksitasi tegangan. Misalnya, termistor 10 kΩ memiliki resistansi 10 kΩ pada suhu 25°C. Pada suhu -50°C, resistansi termistor NTC adalah 441,117 kΩ. Arus penggerak minimum 50 µA yang disediakan oleh AD7124-4/AD7124-8 menghasilkan 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, yang terlalu tinggi dan berada di luar rentang operasi sebagian besar ADC yang tersedia dan digunakan dalam bidang aplikasi ini. Termistor juga biasanya terhubung atau terletak di dekat komponen elektronik, sehingga tidak diperlukan ketahanan terhadap arus penggerak.
Menambahkan resistor sensor secara seri sebagai rangkaian pembagi tegangan akan membatasi arus yang melalui termistor ke nilai resistansi minimumnya. Dalam konfigurasi ini, nilai resistor sensor RSENSE harus sama dengan nilai resistansi termistor pada suhu referensi 25°C, sehingga tegangan keluaran akan sama dengan titik tengah tegangan referensi pada suhu nominalnya 25°C. Demikian pula, jika termistor 10 kΩ dengan resistansi 10 kΩ pada 25°C digunakan, RSENSE harus 10 kΩ. Saat suhu berubah, resistansi termistor NTC juga berubah, dan rasio tegangan penggerak melintasi termistor juga berubah, sehingga tegangan keluaran proporsional dengan resistansi termistor NTC.
Jika referensi tegangan terpilih yang digunakan untuk memberi daya pada termistor dan/atau RSENSE cocok dengan tegangan referensi ADC yang digunakan untuk pengukuran, sistem diatur ke pengukuran rasiometrik (Gambar 7) sehingga setiap sumber tegangan kesalahan terkait eksitasi akan dibias untuk dihilangkan.
Perhatikan bahwa baik resistor penginderaan (yang digerakkan oleh tegangan) maupun resistor referensi (yang digerakkan oleh arus) harus memiliki toleransi awal yang rendah dan penyimpangan yang rendah, karena kedua variabel dapat memengaruhi keakuratan keseluruhan sistem.
Saat menggunakan beberapa termistor, satu tegangan eksitasi dapat digunakan. Namun, setiap termistor harus memiliki resistor penginderaan presisinya sendiri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Pilihan lainnya adalah menggunakan multiplekser eksternal atau sakelar resistansi rendah dalam keadaan aktif, yang memungkinkan penggunaan bersama satu resistor penginderaan presisi. Dengan konfigurasi ini, setiap termistor memerlukan waktu penyelesaian saat diukur.
Singkatnya, ketika merancang sistem pengukuran suhu berbasis termistor, ada banyak pertanyaan yang perlu dipertimbangkan: pemilihan sensor, pengkabelan sensor, pertimbangan pemilihan komponen, konfigurasi ADC, dan bagaimana berbagai variabel ini memengaruhi akurasi sistem secara keseluruhan. Artikel selanjutnya dalam seri ini menjelaskan cara mengoptimalkan desain sistem dan anggaran kesalahan sistem secara keseluruhan untuk mencapai kinerja target Anda.
Waktu posting: 30-Sep-2022