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).Ini juga akan menjelaskan pilihan termistor, trade-off konfigurasi, dan pentingnya konverter analog-ke-digital (ADC) sigma-delta di area aplikasi ini.Artikel kedua akan merinci cara mengoptimalkan dan mengevaluasi sistem pengukuran akhir berbasis termistor.
Seperti yang telah dijelaskan pada seri artikel sebelumnya, Mengoptimalkan Sistem Sensor Suhu RTD, RTD adalah resistor yang resistansinya bervariasi terhadap suhu.Termistor bekerja mirip dengan RTD.Berbeda dengan RTD yang hanya memiliki koefisien suhu positif, termistor dapat memiliki koefisien suhu positif atau negatif.Termistor koefisien suhu negatif (NTC) menurunkan resistansinya seiring kenaikan suhu, sedangkan termistor koefisien suhu positif (PTC) meningkatkan resistansinya seiring kenaikan suhu.Pada gambar.Gambar 1 menunjukkan karakteristik respons termistor NTC dan PTC yang khas dan membandingkannya dengan kurva RTD.
Dalam hal rentang suhu, kurva RTD hampir linier, dan sensor mencakup rentang suhu yang jauh lebih luas dibandingkan termistor (biasanya -200°C hingga +850°C) karena sifat termistor yang non-linier (eksponensial).RTD biasanya disediakan dalam kurva standar yang terkenal, sedangkan kurva termistor bervariasi menurut pabrikan.Kami akan membahas ini secara rinci di bagian panduan pemilihan termistor di artikel ini.
Termistor terbuat dari bahan komposit, biasanya keramik, polimer, atau semikonduktor (biasanya oksida logam) dan logam murni (platinum, nikel, atau tembaga).Termistor dapat mendeteksi perubahan suhu lebih cepat dibandingkan RTD, sehingga memberikan umpan balik yang lebih cepat.Oleh karena itu, termistor biasanya digunakan oleh sensor dalam aplikasi yang memerlukan 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 komersial. atau aplikasi industri.tujuan.Aplikasi.
Dalam kebanyakan kasus, termistor NTC digunakan untuk pengukuran suhu yang akurat, bukan termistor PTC.Beberapa termistor PTC tersedia yang dapat digunakan dalam rangkaian proteksi arus berlebih atau sebagai sekering yang dapat disetel ulang untuk aplikasi keselamatan.Kurva suhu resistansi termistor PTC menunjukkan wilayah NTC yang sangat kecil sebelum mencapai titik sakelar (atau titik Curie), di atasnya resistansi meningkat tajam beberapa kali lipat dalam kisaran beberapa derajat Celsius.Dalam kondisi arus berlebih, termistor PTC akan menghasilkan pemanasan sendiri yang kuat ketika suhu peralihan terlampaui, dan resistansinya akan meningkat tajam, yang akan mengurangi arus masukan ke sistem, sehingga mencegah kerusakan.Titik peralihan 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 peringkat resistansi mulai dari beberapa ohm hingga 10 MΩ pada 25°C.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.1, perubahan resistansi per derajat Celcius untuk termistor lebih nyata dibandingkan termometer resistansi.Dibandingkan dengan termistor, sensitivitas tinggi dan nilai resistansi tinggi termistor menyederhanakan sirkuit inputnya, karena termistor tidak memerlukan konfigurasi kabel khusus, seperti 3-kawat atau 4-kawat, untuk mengimbangi resistansi timbal.Desain termistor hanya menggunakan konfigurasi 2 kabel 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 rantai sinyal mungkin tampak sederhana, ada beberapa kompleksitas yang mempengaruhi ukuran, biaya, dan kinerja motherboard secara keseluruhan.Portofolio ADC presisi ADI mencakup beberapa solusi terintegrasi, seperti AD7124-4/AD7124-8, yang memberikan sejumlah keunggulan untuk desain sistem termal karena sebagian besar elemen penyusun yang diperlukan untuk aplikasi sudah terpasang.Namun, terdapat berbagai tantangan dalam merancang dan mengoptimalkan solusi pengukuran suhu berbasis termistor.
Artikel ini membahas masing-masing masalah ini dan memberikan rekomendasi untuk menyelesaikannya dan lebih menyederhanakan proses desain sistem tersebut.
Ada berbagai macamtermistor NTCada di pasaran saat ini, jadi memilih termistor yang tepat untuk aplikasi Anda bisa menjadi tugas yang menakutkan.Perhatikan bahwa termistor dicantumkan berdasarkan nilai nominalnya, yaitu resistansi nominalnya pada 25°C.Oleh karena itu, termistor 10 kΩ memiliki resistansi nominal 10 kΩ pada 25°C.Termistor memiliki nilai resistansi nominal atau dasar yang berkisar antara 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 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 kaca yang dikemas untuk perlindungan tambahan.Termistor bola berlapis epoksi, termistor radial dan permukaan cocok untuk suhu hingga 150°C.Termistor manik kaca cocok untuk mengukur suhu tinggi.Semua jenis pelapis/kemasan juga melindungi terhadap korosi.Beberapa termistor juga memiliki rumah tambahan untuk perlindungan tambahan di lingkungan yang keras.Termistor manik memiliki waktu respons yang lebih cepat dibandingkan termistor radial/SMD.Namun, mereka tidak tahan lama.Oleh karena itu, jenis termistor yang digunakan bergantung pada aplikasi akhir dan lingkungan di mana termistor berada.Stabilitas jangka panjang termistor bergantung pada bahan, kemasan, dan desainnya.Misalnya, termistor NTC berlapis epoksi dapat mengubah 0,2°C per tahun, sedangkan termistor tersegel hanya mengubah 0,02°C per tahun.
Termistor memiliki akurasi yang berbeda.Termistor standar biasanya memiliki akurasi 0,5°C hingga 1,5°C.Peringkat resistansi termistor dan nilai beta (rasio 25°C hingga 50°C/85°C) memiliki toleransi.Perhatikan bahwa nilai beta termistor bervariasi menurut produsen.Misalnya, termistor NTC 10 kΩ dari pabrikan berbeda akan memiliki nilai beta berbeda.Untuk sistem yang lebih akurat, termistor seperti seri Omega™ 44xxx dapat digunakan.Mereka 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 keakuratan yang diperlukan pada rentang suhu tersebut menentukan apakah termistor cocok untuk aplikasi ini.Perlu diketahui bahwa semakin tinggi keakuratan seri Omega 44xxx, semakin tinggi pula biayanya.
Untuk mengubah resistansi ke derajat Celcius, biasanya digunakan nilai beta.Nilai beta ditentukan dengan mengetahui dua titik suhu dan resistansi yang sesuai pada setiap titik suhu.
RT1 = Tahanan suhu 1 RT2 = Tahanan suhu 2 T1 = Suhu 1 (K) T2 = Suhu 2 (K)
Pengguna menggunakan nilai beta yang paling dekat dengan kisaran suhu yang digunakan dalam proyek.Kebanyakan lembar data termistor mencantumkan nilai beta bersama dengan toleransi resistansi pada 25°C dan toleransi untuk nilai beta.
Termistor presisi lebih tinggi dan solusi terminasi presisi tinggi seperti seri Omega 44xxx menggunakan persamaan Steinhart-Hart untuk mengubah resistansi menjadi derajat Celsius.Persamaan 2 memerlukan tiga konstanta A, B, dan C, yang sekali lagi 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 diturunkan dari tiga titik setel suhu.R = resistansi termistor dalam ohm T = suhu dalam K derajat
Pada gambar.3 menunjukkan eksitasi sensor saat ini.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 resistansi termistor tertinggi (tergantung pada suhu terendah yang diukur dalam sistem).
Saat memilih arus eksitasi, resistansi maksimum termistor harus diperhitungkan lagi.Hal ini memastikan bahwa tegangan pada sensor dan resistor referensi selalu pada tingkat yang dapat diterima oleh elektronik.Sumber arus lapangan memerlukan beberapa ruang kepala atau pencocokan keluaran.Jika termistor memiliki resistansi tinggi pada suhu terendah yang dapat diukur, hal ini akan menghasilkan arus penggerak yang sangat rendah.Oleh karena itu, tegangan yang dihasilkan pada termistor pada suhu tinggi kecil.Tahapan penguatan yang dapat diprogram dapat digunakan untuk mengoptimalkan pengukuran sinyal tingkat rendah ini.Namun, penguatan harus diprogram secara dinamis karena level sinyal dari termistor sangat bervariasi terhadap suhu.
Pilihan lainnya adalah mengatur penguatan tetapi menggunakan arus penggerak dinamis.Oleh karena itu, ketika level sinyal dari termistor berubah, nilai arus penggerak berubah secara dinamis sehingga tegangan yang dihasilkan pada termistor berada dalam kisaran input yang ditentukan pada perangkat elektronik.Pengguna harus memastikan bahwa tegangan yang dihasilkan pada resistor referensi juga berada pada tingkat yang dapat diterima oleh elektronik.Kedua opsi tersebut memerlukan kontrol tingkat tinggi, pemantauan tegangan terus-menerus pada termistor sehingga elektronik dapat mengukur sinyal.Apakah ada pilihan yang lebih mudah?Pertimbangkan eksitasi tegangan.
Ketika tegangan DC diterapkan ke termistor, arus yang melalui termistor secara otomatis berskala seiring perubahan resistansi termistor.Sekarang, dengan menggunakan resistor pengukur presisi dan bukan resistor referensi, tujuannya adalah untuk menghitung arus yang mengalir melalui termistor, sehingga memungkinkan penghitungan resistansi termistor.Karena tegangan penggerak juga digunakan sebagai sinyal referensi ADC, tidak diperlukan tahap penguatan.Prosesor tidak mempunyai tugas memonitor tegangan termistor, menentukan apakah level sinyal dapat diukur secara elektronik, dan menghitung penguatan drive/nilai arus yang perlu disesuaikan.Ini adalah metode 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 diperbaiki.Dengan demikian, rangkaian akan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Metode ini mudah dilakukan karena memungkinkan untuk mengontrol arus melalui sensor dan resistor referensi, yang berguna dalam aplikasi daya rendah.Selain itu, pemanasan sendiri pada termistor diminimalkan.
Eksitasi tegangan juga dapat digunakan untuk termistor dengan peringkat resistansi rendah.Namun, pengguna harus selalu memastikan bahwa arus yang melalui sensor tidak terlalu tinggi untuk sensor atau aplikasi tersebut.
Eksitasi tegangan menyederhanakan implementasi saat menggunakan termistor dengan peringkat resistansi besar dan rentang suhu yang luas.Resistansi nominal yang lebih besar memberikan tingkat arus pengenal 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 keuntungan ketika merancang sistem pengukuran termistor.Pertama, karena ADC sigma-delta mengambil sampel ulang input analog, pemfilteran eksternal dijaga agar tetap minimum dan satu-satunya persyaratan adalah filter RC sederhana.Mereka memberikan fleksibilitas dalam jenis filter dan baud rate keluaran.Pemfilteran digital internal dapat digunakan untuk menekan gangguan apa pun pada perangkat bertenaga 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 merupakan ADC dengan noise rendah, arus rendah, dan presisi dengan PGA internal, referensi internal, input analog, dan buffer referensi.
Terlepas dari apakah Anda menggunakan arus penggerak atau tegangan penggerak, konfigurasi rasiometrik disarankan di mana tegangan referensi dan tegangan sensor berasal dari sumber penggerak yang sama.Artinya, perubahan apa pun pada sumber eksitasi tidak akan mempengaruhi keakuratan pengukuran.
Pada gambar.Gambar 5 menunjukkan arus penggerak konstan untuk termistor dan resistor presisi RREF, tegangan yang dihasilkan pada RREF adalah tegangan referensi untuk mengukur termistor.
Arus medan tidak perlu akurat dan mungkin kurang stabil karena kesalahan apa pun pada arus medan akan dihilangkan dalam konfigurasi ini.Umumnya, eksitasi arus lebih disukai daripada eksitasi tegangan karena kontrol sensitivitas yang unggul dan kekebalan kebisingan yang lebih baik bila sensor ditempatkan di lokasi terpencil.Metode bias jenis ini biasanya digunakan untuk RTD atau termistor dengan nilai resistansi rendah.Namun, untuk termistor dengan nilai resistansi lebih tinggi dan sensitivitas 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 25°C.Pada -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 di luar jangkauan pengoperasian sebagian besar ADC yang tersedia yang digunakan di area aplikasi ini.Termistor juga biasanya dihubungkan atau terletak di dekat elektronik, sehingga tidak diperlukan kekebalan terhadap arus penggerak.
Menambahkan resistor indra secara seri sebagai rangkaian pembagi tegangan akan membatasi arus yang melalui termistor ke nilai resistansi minimumnya.Dalam konfigurasi ini, nilai resistor indra 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°CC Demikian pula, jika termistor 10 kΩ dengan resistansi 10 kΩ pada 25°C digunakan, RSENSE harus 10 kΩ.Ketika suhu berubah, resistansi termistor NTC juga berubah, dan rasio tegangan penggerak pada termistor juga berubah, sehingga tegangan keluaran sebanding dengan resistansi termistor NTC.
Jika referensi tegangan yang dipilih 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 sumber tegangan kesalahan terkait eksitasi akan dibiaskan untuk dihilangkan.
Perhatikan bahwa resistor indra (penggerak tegangan) atau resistor referensi (penggerak arus) harus memiliki toleransi awal yang rendah dan penyimpangan yang rendah, karena kedua variabel dapat mempengaruhi keakuratan keseluruhan sistem.
Saat menggunakan beberapa termistor, satu tegangan eksitasi dapat digunakan.Namun, setiap termistor harus memiliki resistor indra presisinya sendiri, seperti yang ditunjukkan pada gambar.8. Pilihan lainnya adalah dengan menggunakan multiplexer eksternal atau sakelar resistansi rendah dalam keadaan hidup, yang memungkinkan berbagi satu resistor indra presisi.Dengan konfigurasi ini, setiap termistor memerlukan waktu penyelesaian tertentu saat diukur.
Singkatnya, ketika merancang sistem pengukuran suhu berbasis termistor, ada banyak pertanyaan yang perlu dipertimbangkan: pemilihan sensor, pengkabelan sensor, trade-off pemilihan komponen, konfigurasi ADC, dan bagaimana berbagai variabel ini mempengaruhi keakuratan sistem secara keseluruhan.Artikel berikutnya dalam seri ini menjelaskan cara mengoptimalkan desain sistem dan anggaran kesalahan sistem secara keseluruhan untuk mencapai target kinerja Anda.
Waktu posting: 30 Sep-2022