Termistores PTC. Medição de temperatura com termistor NTC

Circuitos para teste de varistores

O diagrama da Fig. 1 permite que você remova volt-ampere I = f (U) e características ampere-temperatura dos varistores I = f (θ)... Valor da tensão da fonte de alimentação E e resistência à carga R H são selecionados dependendo do tipo de varistor investigado.

Ao examinar as dependências da temperatura, o varistor é colocado em um termostato.

Termistor (termistor) É um resistor semicondutor que usa a dependência da temperatura da resistência elétrica do semicondutor.

Em termistores de queima direta, a resistência muda devido ao calor ou devido a uma mudança na temperatura do termistor devido a uma mudança na irradiação térmica do termistor (por exemplo, devido a uma mudança na temperatura ambiente) Os termistores mais utilizados são os termistores, cuja principal característica é uma diminuição significativa da resistência com o aumento da temperatura, ou seja, termistores com coeficiente de resistência de temperatura negativo.

Uma diminuição na resistência de um semicondutor com um aumento na temperatura pode ser devido a várias razões - um aumento na concentração de portadores de carga, um aumento em sua mobilidade ou transformações de fase de um material semicondutor.

I. O primeiro fenômeno é típico de termistores feitos de monocristais de semicondutores covalentes (silício, germânio, carboneto de silício, compostos do tipo A III B V, etc.). Tais semicondutores possuem coeficiente de resistência de temperatura negativo na faixa de temperatura correspondente à condutividade elétrica das impurezas, quando nem todas as impurezas são ionizadas, quando a concentração do portador é devida à ionização dos próprios átomos do semicondutor. Em ambos os casos, a dependência da resistência do semicondutor é determinada principalmente pela mudança na concentração dos portadores de carga, uma vez que as mudanças de temperatura na mobilidade são desprezíveis neste caso.

Nessas faixas de temperatura, a dependência da resistência do semicondutor com a temperatura corresponde à equação

, (6.1.1)

Onde V- coeficiente de sensibilidade à temperatura; R¥ é uma constante dependendo do material e do tamanho do termistor.

Com ionização incompleta e sem compensação ,

Onde DE n- a energia de ionização de impurezas (doadores ou aceitadores).

Para um semicondutor compensado com ionização incompleta de impurezas

Com condutividade elétrica própria

Onde DE- a largura da zona proibida do semicondutor.

II. A maioria dos termistores produzidos pela indústria é feita de semicondutores de óxido policristalino - a partir dos óxidos dos chamados metais de transição da tabela periódica (do titânio ao zinco). Termistores em forma de hastes, tubos, discos ou placas são produzidos por tecnologia cerâmica, ou seja, queimando peças em alta temperatura.

A condutividade elétrica dos semicondutores óxidos com uma ligação iônica predominante entre os átomos difere da condutividade elétrica dos semicondutores covalentes. Os metais de transição são caracterizados pela presença de camadas de elétrons não preenchidas e valência variável. Como resultado, quando um óxido é formado sob certas condições (presença de impurezas, desvio da estequiometria), íons com cargas diferentes aparecem nas mesmas posições cristalográficas. A condutividade elétrica de tais metais está associada à troca de elétrons entre íons vizinhos. A energia necessária para tal troca é pequena. Portanto, todos os elétrons (ou lacunas) que podem passar de um íon para outro podem ser considerados portadores de carga livre, e sua concentração é constante na faixa de temperatura de operação do termistor.

Devido ao forte efeito dos portadores de carga com íons, a mobilidade dos portadores de carga em um semicondutor de óxido acaba sendo pequena e aumenta experimentalmente com o aumento da temperatura. Como resultado, a dependência da resistência com a temperatura de um termistor semicondutor de óxido é a mesma de um termistor feito de semicondutores covalentes (Fig. 6.1.1), mas o coeficiente de sensibilidade à temperatura caracteriza, neste caso, uma mudança na mobilidade de portadores de carga, e não uma mudança em sua concentração.

III. Em óxidos de vanádio V 2 O 2 e V 2 O 3 na temperatura das transformações de fase (68 o C e -110 o C), uma diminuição na resistividade em várias ordens de magnitude é observada. Este fenômeno também pode ser usado para criar termistores com um grande coeficiente de temperatura negativo de resistência na faixa de temperatura correspondente à transformação de fase.

6.2. Características e parâmetros de termistores de aquecimento direto

Características de temperatura do termistorÉ a dependência de sua resistência com a temperatura. Um exemplo da característica de temperatura de um dos termistores é mostrado na Fig. 6.2.1.

Resistência nominal do termistor- esta é a sua resistência a uma determinada temperatura (normalmente 20 ° C). Os termistores são fabricados com um desvio permissível da resistência nominal de ± 20, 10 e 5%. As resistências nominais de vários tipos de termistores variam de alguns ohms a várias centenas de quilo-ohms.

Coeficiente de sensibilidade à temperatura BÉ o coeficiente no expoente da característica de temperatura do termistor (1). O valor deste coeficiente, dependendo das propriedades do material do termistor, é praticamente constante para um determinado termistor na faixa de temperatura de operação e para vários tipos de termistores está na faixa de 700 a 1500 K. O coeficiente de sensibilidade à temperatura pode ser encontrado experimentalmente medindo a resistência do termistor em duas temperaturas Este e T de acordo com a fórmula

. (6.2.1)

Coeficiente de resistência de temperatura do termistor mostra a mudança relativa na resistência do termistor quando a temperatura muda em um grau:

TC .(6.2.2)

O coeficiente de resistência da temperatura é dependente da temperatura, por isso deve ser escrito com um índice indicando a temperatura na qual esse valor ocorre. A dependência do coeficiente de temperatura com a temperatura pode ser obtida a partir das equações (6.2.1) e (6.2.2):

TC R = - B / T2 (6.2.3)

O valor do coeficiente de temperatura da resistência à temperatura ambiente de vários termistores está na faixa (0,8 - 6,0) × 10 -2 K -1.

Fator de dissipação de termistor H numericamente igual à potência dissipada pelo termistor quando a diferença de temperatura entre o termistor e o ambiente é de um grau, ou, em outras palavras, é numericamente igual à potência que deve ser alocada no termistor a partir da corrente que passa por ele sob condições de equilíbrio térmico entre o termistor e o meio ambiente

Figura 6.2.2. mostra as características de tensão de corrente estática de termistores. A linearidade das características em baixas correntes e tensões é explicada pelo fato de a potência liberada no termistor ser insuficiente para uma mudança significativa em sua temperatura. Com o aumento da corrente que passa pelo termistor, a potência liberada nele aumenta sua temperatura. A resistência de um termistor é, portanto, determinada pela temperatura ambiente combinada e a temperatura do aquecedor termistor. Nessas correntes, a resistência do termistor diminui com o aumento da corrente e da temperatura de acordo com (6.2.2), a linearidade da característica volt-ampere estática é violada. Com um aumento adicional na corrente e uma sensibilidade de alta temperatura do termistor, uma seção decrescente da característica de tensão-corrente estática pode ser observada, isto é, uma diminuição na tensão através do termistor com um aumento na corrente que passa por ele .

Temperatura máxima permitida do termistorÉ a temperatura na qual ainda não ocorrem mudanças irreversíveis nos parâmetros e características do termistor. A temperatura máxima permitida é determinada não apenas pelas propriedades das matérias-primas do termistor, mas também por suas características de design.

Dissipação de potência máxima permitida do termistor- esta é a potência na qual o termistor, localizado em ar calmo a uma temperatura de 20 ° C, aquece quando a corrente passa para a temperatura máxima permitida. Quando a temperatura ambiente diminui, bem como quando o termistor opera em um ambiente que fornece melhor dissipação de calor, a potência dissipada pode exceder o valor máximo permitido.

Fator G de sensibilidade à energia do termistor numericamente igual à potência que deve ser fornecida ao termistor para reduzir sua resistência em 1%. O coeficiente de sensibilidade à energia está relacionado ao coeficiente de dissipação e ao coeficiente de resistência à temperatura pela relação G = H / TK R.

O valor do coeficiente de sensibilidade à energia depende do modo de operação do termistor, ou seja, será diferente a cada ponto da característica corrente-tensão estática.

Constante de tempo do termistor- este é o tempo durante o qual a temperatura do termistor diminui em 63% (em e vezes) em relação à diferença de temperatura entre o termistor e o ambiente (por exemplo, quando o termistor é transferido de um ambiente com ar com uma temperatura de 120 ° C para um ambiente com ar com uma temperatura de 20 ° C). A inércia térmica de um termistor, caracterizada por sua constante de tempo, é determinada pelo projeto e pelas dimensões do termistor e depende da condutividade térmica do meio ao qual o termistor está localizado. Para tipos diferentes termistores, a constante de tempo está na faixa de 0,5 a 140 s.

6.3. Termistores de aquecimento indireto

Um termistor de aquecimento indireto é um termistor que possui uma fonte de calor adicional - um aquecedor.

O projeto dos termistores de aquecimento indireto pode ser diferente. Freqüentemente, o aquecedor é feito na forma de um enrolamento em um tubo isolante, dentro do qual está localizado um termistor. Em outros casos, o termistor é feito em forma de tubo, por dentro do qual passa um fio de aquecimento. Comum a todos os projetos de termistores de aquecimento indireto é que eles têm circuitos eletricamente isolados uns dos outros - controlados e controlados.

Além de parâmetros como a resistência nominal e o coeficiente de sensibilidade à temperatura, os termistores aquecidos indiretamente têm suas próprias características e parâmetros específicos.

Características de tensão de corrente estática o termistor de aquecimento indireto é removido em diferentes correntes através do aquecedor. (Figura 6.3.1.).

Característica de aquecimento - esta é a dependência da resistência do termistor de aquecimento indireto da potência liberada na bobina de aquecimento (Fig. 6.3.2.).

Para obter a maior sensibilidade do termistor de aquecimento indireto, ou seja, a maior variação da resistência, ele deve ser utilizado em modos em que a potência liberada no próprio elemento termossensível pela corrente que passa por ele possa ser desprezada.

Coeficiente de acoplamento térmicoÉ a relação de potência R T necessário para aquecer o elemento sensível à temperatura a uma determinada temperatura durante o aquecimento direto, para o poder R abaixo, necessário para aquecimento à mesma temperatura com aquecimento indireto, isto é, passando a corrente através do aquecedor:

K = P T / R debaixo.

Normalmente, para determinar o coeficiente de acoplamento térmico, um termistor de aquecimento indireto é aquecido até a chamada resistência quente do termistor na potência máxima liberada no aquecedor. O coeficiente de acoplamento térmico costuma estar na faixa de 0,5 a 0,97, ou seja, menor que a unidade, uma vez que parte do calor gerado pelo aquecedor é inevitavelmente perdido. Atualmente, os termistores de aquecimento indireto praticamente não são usados devido ao seu grande tamanho, à necessidade de utilização de uma fonte de alimentação adicional para aquecer o termistor e ao alto consumo de energia.

O circuito para estudar termistores de aquecimento direto, mostrado na Fig. 6.3.3, torna possível ler as características de corrente-tensão de termistores em diferentes temperaturas ambientes.

A tensão para o termistor é fornecida a partir de uma fonte de tensão constante você fonte de energia. A tensão é infinitamente ajustável por potenciômetro R na fonte de alimentação .

Dia bom! Hoje, este artigo terá uma maneira fácil de verificar termistor... Provavelmente, todos os rádios amadores sabem que existem dois tipos de termistores. NTC(Coeficiente de temperatura negativo) e PTC(Coeficiente de temperatura positivo). Como seus nomes sugerem, a resistência Termistor NTC vai diminuir com o aumento da temperatura, e a resistência do termistor PTC com aumento de temperatura - aumentará... Você pode verificar aproximadamente os termistores NTC e PTC usando qualquer multímetro e ferro de solda.

Para fazer isso, você precisa colocar o multímetro no modo de medição de resistência e conectar seus terminais aos terminais do termistor (a polaridade não importa). Lembre-se da resistência e traga o ferro de solda aquecido até o termistor e ao mesmo tempo observe a resistência, ela deve aumentar ou diminuir. Dependendo do tipo de termistor que você tem à sua frente, é PTC ou NTC. Se tudo estiver como descrito acima - termistor bom.

Agora, como vai ser na prática, mas para praticar eu peguei o primeiro termistor que encontrei, acabou sendo um termistor MF72 NTC. Primeiramente conectei em um multímetro, para filmar o processo de verificação e devido à falta de crocodilos no multímetro, tive que soldar os fios no termistor e depois apenas parafusá-los nos contatos do multímetro.

Como você pode ver na foto em temperatura ambiente, a resistência do termistor é de 6,9 Ohm, este valor dificilmente é correto, já que o indicador de bateria fraca está aceso. Então, levei o ferro de solda para o termistor e toquei um pouco no terminal para transferir o calor do ferro de solda para o termistor mais rápido.

A resistência começou a diminuir lentamente e parou em um valor de 2 Ohm, aparentemente nessa temperatura do ferro de solda esse é o valor mínimo. Com base nisso, tenho quase cem por cento de certeza de que este termistor está funcionando corretamente.

Se a mudança na resistência não for suave ou não for, qualquer mudança significa que o termistor não está funcionando corretamente.

Lembrar esta é apenas uma verificação aproximada... Para um teste ideal, você precisa medir a temperatura e a resistência correspondente do termistor e, em seguida, comparar esses valores com a ficha técnica deste termistor.

Termistores o que são

Termistores e suas aplicações

Os termistores são essencialmente termômetros de resistência baseados em óxidos mistos de metais de transição. Os dois tipos principais de termistores são NTC (coeficiente de resistência de temperatura negativo) e PTC (coeficiente positivo). O tipo mais comum é o NTC. Os termistores PTC são usados apenas em faixas de temperatura muito estreitas, vários graus, principalmente em sistemas de alarme e controle.

A palavra "termistor" é autoexplicativa: RESISTOR TÉRMICO -
um dispositivo cuja resistência muda com a temperatura.

Os termistores são em grande parte dispositivos não lineares e
frequentemente têm parâmetros com uma grande dispersão. É por isso que muitos, até
engenheiros experientes e designers de circuitos experimentam inconveniências ao trabalhar com
com esses dispositivos. No entanto, depois de conhecer melhor esses dispositivos, você pode
veja que os termistores são, na verdade, dispositivos bastante simples.

Em primeiro lugar, deve-se dizer que nem todos os dispositivos que mudam
resistência com temperatura são chamados de termistores. Por exemplo,
termômetros de resistência, que são feitos de pequenas bobinas de
arame ou de filmes metálicos pulverizados. Embora seus parâmetros dependam
na temperatura, entretanto, eles funcionam de maneira diferente dos termistores. Normalmente o termo
"Termistor" se aplica a sensíveis à temperatura
dispositivos semicondutores.

Existem duas classes principais de termistores: NTC
(coeficiente de resistência de temperatura) e com um TCR positivo.
Existem dois tipos fundamentalmente diferentes de termistores disponíveis com
TCS positivo. Alguns são fabricados como termistores negativos.
TCS, outros são feitos de silício. Termistores PTC irão
são descritos resumidamente, com foco no mais comum
termistores com TCS negativo. Assim, se não houver nenhum especial
instruções, vamos falar sobre termistores com TCS negativo.

Os termistores NTC são altamente sensíveis,
dispositivos não lineares com uma faixa estreita, a resistência dos quais
diminui com o aumento da temperatura. A Figura 1 mostra a curva
mostrando a mudança na resistência dependendo da temperatura e
que é uma dependência típica da resistência à temperatura.
A sensibilidade é de aproximadamente 4-5% / oC. Vasta gama disponível
classificações de resistência, e a mudança na resistência pode chegar a muitos
ohm e até quilo-ohms por grau.

Fig. 1 Termistores NTC são muito sensíveis e têm
Os graus são não lineares. Ro pode ser em ohms, quilo-ohms ou
megoomah:
Relação de resistência 1 R / R®; 2- temperatura em оС

Essencialmente, os termistores são
cerâmicas semicondutoras. Eles são feitos com base em pós de óxido
metais (geralmente óxidos de níquel e manganês), às vezes com a adição de um pequeno
a quantidade de outros óxidos. Os óxidos em pó são miscíveis com água e
vários ligantes para obter uma massa líquida, que
dado o formato necessário e que é disparado em temperaturas acima
1000 oC.
Um revestimento de metal condutor (geralmente prata) é soldado e
os condutores estão conectados. O termistor acabado é geralmente revestido com epóxi
resina ou vidro, ou encerrados em algum outro invólucro.

Existem muitos tipos de termistores.
Os termistores têm a forma de discos e arruelas com um diâmetro de 2,5 a aproximadamente 25,5
mm, a forma de hastes de vários tamanhos.

Alguns termistores são feitos primeiro como placas grandes,
e depois corte em quadrados. Termistores de cordão muito pequenos
são feitos queimando diretamente uma gota de massa em dois
conclusões de uma liga de titânio refratário com rebaixamento subsequente
termistor em vidro para obter um revestimento.

Parâmetros típicos

Dizer "parâmetros típicos" não é totalmente correto, pois para
termistores, existem apenas alguns parâmetros típicos. Para muitos
termistores de vários tipos, tamanhos, formatos, classificações e tolerâncias
há um número igualmente grande de especificações. Além disso,
frequentemente termistores de diferentes fabricantes não são
intercambiável.
Termistores com resistências podem ser adquiridos (a 25 oС -
temperatura na qual a resistência do termistor é geralmente determinada) de
um ohm a dez megohms ou mais. A resistência depende do tamanho e
a forma do termistor, no entanto, para cada tipo específico, as classificações são
resistências podem diferir em 5-6 ordens de magnitude, o que é alcançado por
mudança simples da mistura de óxidos. Ao mudar a mistura, ela também muda e
tipo de dependência da temperatura da resistência (curva R-T) e mudanças
estabilidade em temperaturas altas... Felizmente, termistores com alta
resistência suficiente para usá-los em alta
as temperaturas também tendem a ser mais estáveis.

Termistores baratos geralmente têm tolerâncias bastante grandes
parâmetros. Por exemplo, valores de resistência permitidos a 25 ° C
variam de (20% a (5%. Em mais ou menos
em temperaturas, a difusão dos parâmetros aumenta ainda mais. Para um típico
termistor com uma sensibilidade de 4% por grau Celsius, correspondente
as tolerâncias de temperatura medidas variam de aproximadamente (5 o a (1,25
oC a 25 oC. Termistores de alta precisão serão abordados neste
artigo abaixo.

Foi dito anteriormente que os termistores são estreitos
faixa. Isso precisa ser esclarecido: a maioria dos termistores opera em
variam de -80 ° C a 150 ° C, e há instrumentos (geralmente com
revestimento de vidro), que operam a 400 ° C e altas temperaturas.
No entanto, para fins práticos, a alta sensibilidade dos termistores
limita sua faixa de temperatura útil. Resistência típica
termistor pode mudar 10.000 ou 20.000 vezes em temperaturas de -80
оС até +150 оС. Pode-se imaginar as dificuldades em projetar um circuito,
o que garantiria a precisão da medição em ambas as extremidades desta faixa
(a menos que a comutação de banda seja usada). Resistência do termistor,
nominal a zero graus, não excederá alguns ohms em
400 oC.

Na maioria dos termistores para conexão de terminal interno
solda é usada. Obviamente, tal termistor não pode ser usado para
medições de temperaturas que excedem o ponto de fusão da solda. Mesmo sem
soldagem, o revestimento de epóxi de termistores é retido apenas a uma temperatura não
mais de 200 ° C. Para temperaturas mais altas é necessário usar
termistores revestidos de vidro tendo soldados ou fundidos
conclusões.

Os requisitos de estabilidade também limitam o uso de termistores.
em altas temperaturas. A estrutura dos termistores começa a mudar quando
exposição a altas temperaturas, e a taxa e natureza da mudança em
são amplamente determinados pela mistura de óxidos e pelo método de fabricação
termistor. Começa alguma variação de termistores revestidos de epóxi
em temperaturas acima de 100 ° C ou mais. Se tal termistor
opera continuamente a 150 ° C, a deriva pode ser medida por vários
graus por ano. Termistores de baixa resistência (por exemplo, não mais do que 1000 ohms a 25
oC) muitas vezes é ainda pior - seu desvio pode ser visto durante a operação
a aproximadamente 70 ° C. E a 100 ° C eles se tornam não confiáveis.

Dispositivos baratos com grandes tolerâncias são fabricados com menos
atenção aos detalhes e pode dar resultados ainda piores. Por outro lado,
alguns termistores revestidos de vidro adequadamente projetados têm
excelente estabilidade mesmo em altas temperaturas. Conta
termistores revestidos de vidro têm estabilidade muito boa,
bem como os termistores de disco de vidro recentemente introduzidos.
revestido. Deve ser lembrado que a deriva depende da temperatura e
Tempo. Por exemplo, um termistor epóxi geralmente pode ser usado.
revestimento com aquecimento de curto prazo até 150 ° C sem desvio significativo.

Ao usar termistores, o valor nominal
valor de dissipação de potência constante. Por exemplo, um pequeno termistor com
revestido com epóxi tem uma constante de dissipação de um miliwatt
por grau Celsius no ar parado. Em outras palavras, um miliwatt
potência no termistor aumenta sua temperatura interna em um grau
Celsius e dois miliwatts (por dois graus e assim por diante. Se você aplicar
voltagem de um volt por um termistor de quilo-ohm tendo uma constante
dissipação de um miliwatt por grau Celsius, você obtém um erro
medições em um grau Celsius. Os termistores dissipam muita energia,
se eles afundarem no líquido. O mesmo pequeno termistor mencionado acima com
revestimento de epóxi dissipa 8 mW / oC, estando em boas
óleo de agitação. Grandes termistores têm uma constante
a dispersão é melhor do que pequenos dispositivos. Por exemplo, um termistor na forma
disco ou lavadora pode dissipar potência de 20 ou 30 mW / oC no ar
deve ser lembrado que da mesma forma que a resistência de um termistor
varia com a temperatura, e sua dissipação
potência.

Equações do termistor

Não existe uma equação exata para descrever o comportamento de um termistor, -
existem apenas alguns aproximados. Considere dois comumente usados
equações aproximadas.
A primeira equação aproximada, exponencial, é completamente
satisfatório para faixas de temperatura limitadas, especialmente
- ao usar termistores com baixa precisão.
A segunda equação, chamada de equação de Steinhart-Hart, fornece
excelente precisão para faixas de até 100 ° C.
A resistência do termistor NTC diminui
aproximadamente exponencial com o aumento da temperatura. Em limitado
variações de temperatura, sua dependência R-T é descrita muito bem
pela seguinte equação:

RT2 = RT1 e ((I / T2 - I / T1),
Onde T1 e T2 são temperaturas absolutas em graus Kelvin (оС +273);
RT1 e RT2 - resistências do termistor em T1 e T2; (- constante,
determinado medindo a resistência do termistor com dois conhecidos
temperaturas.
Se (e RT1 forem conhecidos, então esta equação pode ser transformada e
use para calcular a temperatura medindo a resistência:
Beta é um número grande e positivo e tem uma dimensão em
graus Kelvin. Os valores típicos variam de 3.000 a 5.000 kK.
Os fabricantes costumam incluir valores para beta em suas especificações, no entanto,
uma vez que a equação exponencial é apenas aproximada, o valor
beta depende das duas temperaturas usadas para calculá-lo.
Alguns fabricantes usam valores de 0 e 50 ° C; outros - 25 e 75 ° C.
Outras temperaturas podem ser usadas: podem ser calculadas por você mesmo
valor beta com base em tabelas de resistência versus temperatura,
oferecido pelo fabricante. A equação é geralmente consistente com
valores medidos dentro de (1 ° C em uma seção de 100 ° C. Equação
não pode ser usado de forma confiável em temperaturas muito diferentes
daqueles que foram usados para determinar o beta.
Antes de passar para a equação de Steinhart-Hart, considere dois
outros parâmetros frequentemente usados para descrever termistores: alfa (() e
coeficiente de resistência. Alfa é simplesmente definido pela inclinação da curva R-T,
ou seja, é a sensibilidade a uma determinada temperatura. Alfa
geralmente expresso como "porcentagem por grau". Os valores típicos variam de 3
% até 5% oC. Assim como o beta, o alfa depende das temperaturas nas quais
está determinado. Seu valor diminuirá um pouco quanto maior
temperaturas.
O coeficiente de arrasto significa a razão
resistência em uma temperatura para resistência em outra, mais
Temperatura alta.
Para termistores de precisão, geralmente há uma tabela de valores de resistência.
(para cada grau) dependendo da temperatura fornecida
fabricante juntamente com outras informações. No entanto, às vezes é conveniente ter
equação exata ao realizar cálculos de projeto ou (especialmente) quando
usando um computador para converter a resistência do termistor em temperatura.
Exceto para faixas de temperatura muito estreitas, a equação exponencial
com um parâmetro não é satisfatório - um número maior é necessário
parâmetros.
A melhor expressão aproximada amplamente usada hoje
tempo, é a equação de Steinhart-Hart:

Onde T- temperatura absoluta(em graus Kelvin), R - resistência
termistor; a, bec são constantes obtidas experimentalmente.
Transformação da equação para expressar a resistência na forma
função da temperatura leva a uma expressão um tanto incômoda.
No entanto, é fácil de manusear usando um computador ou
calculadora:

Deve-se notar que esses valores para alfa e beta não são
referem-se aos parâmetros alfa e beta usados em exponencial
equação com um parâmetro.
Embora a equação de Steinhart-Hart seja mais complexa, geralmente é
consistente com valores reais dentro de alguns milésimos de grau em
varia até 1000 ° C. Claro que pode ser tão bom se
apenas os valores experimentais dos parâmetros do termistor também são precisos.
As temperaturas com uma precisão de milésimos de grau só podem ser obtidas em
laboratórios de primeira classe. Em vez disso, o usuário concorda em usar
tabelas de passaporte do que ele quer tirar suas próprias medidas.
Para determinar a, bec, você precisa saber a resistência exata
termistor em três temperaturas e substitua cada conjunto de dados (R e T)
na equação de Steinhart-Hart para determinar as três incógnitas. Então
é necessário usar meios matemáticos para resolver simultaneamente
três equações e obtenção dos valores de três constantes. Usando
tabelas de passaporte, você precisa escolher os valores de R dependendo de T nas bordas e em
no meio da faixa de temperatura a ser usada.
Os fabricantes geralmente não especificam os valores da placa de identificação para essas constantes, então
como esses valores mudam dependendo da temperatura usada
faixa.

Termistores de precisão

Os parâmetros de termistores comuns são indicados apenas com desvios de + -
5% a + -20% a 25 ° C, e em outras temperaturas, as tolerâncias aumentam.
No entanto, com controle adequado sobre tecnologia e medições, é possível
obter uma precisão significativamente maior. Existem três tipos de precisão
termistores: termistores de disco intercambiáveis de precisão,
termistores de esferas de precisão e pares de esferas combinados. Exato
termistores fornecem calibração eletrônica de instrumentos de medição,
sem a necessidade de dispositivos de aquecimento precisos. Termistores intercambiáveis também
permitem que você substitua o termistor sem recalibrar os componentes eletrônicos.

Termistores de disco intercambiáveis de precisão são fabricados com
controle cuidadoso e mudança de R-T - parâmetros e estabilidade do óxido
misturas. Misturas que não atendem a requisitos rigorosos não
são usados. Os termistores são misturados, moldados e disparados usando
tecnologias convencionais. Em seguida, cada termistor é baixado para um banho líquido
a uma temperatura cuidadosamente controlada para ajustar a resistência a
valor nominal. Antes do envio, os parâmetros de cada termistor
medidos em duas ou três temperaturas, e se não corresponderem
passaporte, o termistor é rejeitado.

Termistores padronizados prontos para uso com tolerâncias (0,2
oC ou (0,1 oC na faixa de 0 -70 oC e menos precisão em -80 oC e +150
оС. Existem termistores especiais de disco altamente estáveis com vidro
revestimento com tolerâncias não superiores a 0,05 ° C. Dados de alta precisão,
termistores intercambiáveis estão disponíveis em disco ou quadrado apenas
tamanho pequeno, revestido com epóxi ou (para maior
estabilidade) vidro. Vários fabricantes oferecem alguns ou todos
das seguintes classificações (a 25 ° C): 100, 300 e 500 Ohm; 1.0,
2,252, 3,0, 5,0, 10,0, 30,0, 50,0, 100,0 e 300,0 quilo-ohms e 1 mega-ohm.
Termistores com classificações de 2,252; 3,0; e 5,0 kilo-ohms são intercambiáveis para
vários fabricantes; outros termistores geralmente não. Há
um grande número de sensores de temperatura que usam um termistor
com um valor nominal de 2,252 Kom.

Termistores de esferas podem ser muito precisos e estáveis, no entanto
seu pequeno tamanho e métodos de fabricação tornam impossível o ajuste fino
valor exato. Se o usuário precisa fazer medições precisas
usando termistores de cordão (que têm as menores dimensões e
melhor desempenho em altas temperaturas), ele pode perguntar
mude o fabricante e imprima Valores R-T- curva para
cada termistor. Alternativamente, você pode especificar termistores selecionados na faixa
classificações e tendo uma certa tolerância a uma determinada temperatura.

Outra forma de os fabricantes garantirem a precisão
e intercambialidade, é a medição constante dos parâmetros de cada
termistor e conexão subsequente de pares combinados selecionados em paralelo
ou sequencialmente, a fim de fornecer uma curva de uma determinada forma.

Características de temperatura

Os termistores são resistores e obedecem à Lei de Ohm (E = IxR) -
se sua temperatura não mudar. Deve ser lembrado que apenas
vários miliwatts de potência para isso. Para aumentar a temperatura
termistor em um grau ou mais, e que a resistência é reduzida
aproximadamente 4% por grau Celsius. Se você conectar ao termistor
fonte de corrente e aumentar lentamente a corrente, será visto que a tensão
aumenta cada vez mais lentamente, conforme a resistência do termistor
diminui. Obviamente, a tensão vai parar de aumentar e
então, praticamente começará a diminuir com um novo aumento na corrente. Sobre
o gráfico da Fig. 4 mostra curvas de volt-ampere típicas. Para pequeno
corrente e baixa potência, a curva corresponde à linha de resistência constante,
indicando que o termistor não está quente o suficiente. Ao aumentar
potência, você pode ver que a resistência do termistor começa a cair. Na área de
um termistor de grande potência em certo sentido, funciona como um negativo
resistência, ou seja, a tensão através dele diminui com o aumento da corrente.

Usando termistores

Os termistores são usados em muitas áreas. Quase nenhum
um PCB complexo não está completo sem termistores. Eles são usados em
sensores de temperatura, termômetros, em quase qualquer
condições de temperatura, eletrônicos.
Na tecnologia de combate a incêndio, há temperatura padrão
sensores. Um sensor semelhante contém dois termistores negativos.
coeficientes de temperatura, que são instalados na placa de circuito impresso na cor branca
carcaça de policarbonato. Um é trazido - um termistor aberto,
responde rapidamente às mudanças na temperatura do ar. Outro
termistor está localizado na caixa e reage às mudanças de temperatura
Mais devagar.

Em condições estáveis, ambos os termistores estão em temperatura
equilíbrio com a temperatura do ar e tem alguma resistência. Se
a temperatura do ar sobe rapidamente, então a resistência do ambiente aberto
termistor torna-se menor que a resistência do termistor fechado.
A relação de resistência dos termistores é monitorada pelo circuito eletrônico, e se
esta proporção excede o nível limite definido na fábrica,
emite um alarme. No futuro, este princípio de ação será
referido como “resposta da taxa de aumento de temperatura”. Se a temperatura
o ar sobe lentamente, a diferença na resistência dos termistores
insignificantemente. No entanto, essa diferença se torna maior se você conectar
resistor de alta temperatura em série com um termistor fechado
estabilidade. Quando a razão da soma das resistências do termistor fechado e
resistor estável e a resistência do termistor aberto excede
limite, ocorre um modo de alarme. O sensor gera o modo "Alarme" quando
atingindo uma temperatura externa de 60 ° C, independentemente da taxa de aumento
temperatura.

Assim, os termistores são onipresentes em muitos
dispositivos ao nosso redor.

Bibliografia

Shashkov A.G., Thermistors and their application. Moscou 1967.

Transdutores de medição termoelétricos. Palestra do Curso
"Medições elétricas de grandezas mecânicas". Rostov-on-Don. 1977

Samy K. Medindo termopares e termistores. Tradução da revista
Otomesen 1988.Vol. 33. Número 5.

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Aprenda sobre termistores e como programar o Arduino para medir seus dados.

Você já se perguntou como alguns dispositivos, como termostatos, almofadas de aquecimento de impressora 3D, motores de automóveis e fornos medem a temperatura? Você pode descobrir neste artigo!

Saber a temperatura pode ser muito útil. Saber a temperatura pode ajudar a ajustar a temperatura ambiente para uma temperatura confortável, certifique-se de que a almofada de aquecimento da impressora 3D esteja quente o suficiente para que materiais como o ABS grudem em sua superfície e evite que o motor superaqueça ou queime os alimentos que estão sendo cozidos.

Neste artigo, estamos considerando apenas um tipo de sensor capaz de medir temperatura. Este sensor é denominado termistor.

Um termistor tem uma resistência que depende muito mais da temperatura do que outros tipos de resistores.

Estaremos usando o Arduino para medir e processar as leituras do termistor e, em seguida, converter essas leituras em um formato de unidade de temperatura fácil de ler.

Abaixo está uma foto do termistor que vamos usar:

Componentes necessários

Componentes

Arduino (Mega ou Uno ou qualquer outro modelo);
vários jumpers;
ferro de solda e solda (podem ser necessários se o termistor não couber nos conectores da placa Arduino).

Programas

IDE Arduino

Teoria

Com o uso típico do resistor, você não quer que sua resistência mude conforme a temperatura muda. Isso não é realista na vida real, você só pode fornecer uma pequena mudança na resistência com uma grande mudança na temperatura. Se este não fosse o caso, então os resistores afetariam estranhamente a operação dos circuitos, por exemplo, o LED poderia brilhar muito mais forte ou menos escuro conforme a temperatura ambiente muda.

Mas e se você realmente quiser que o brilho de um LED seja uma função da temperatura? É aqui que entra o termistor. Como você deve ter adivinhado, a resistência de um termistor muda drasticamente com uma pequena mudança na temperatura. Para ilustrar isso, o seguinte é uma curva de resistência do termistor:

A figura mostra apenas unidades de medida sem valores reais, uma vez que a faixa de resistência depende do tipo de termistor específico. Como você pode ver, conforme a temperatura aumenta, a resistência do termistor diminui. Esta é a marca registrada do resistor de coeficiente de temperatura negativo, ou termistor NTC para abreviar.

Existem também termistores de Coeficiente de Temperatura Positiva (PTC) cuja resistência aumenta com o aumento da temperatura. No entanto, os termistores PTC têm um tipo de ponto de inflexão e mudam muito a resistência em uma determinada temperatura. Isso torna a interface com termistores PTC um pouco mais difícil. Por esta razão, os termistores NTC são preferidos na maioria dos medidores de temperatura baratos.

No restante deste artigo, como você pode imaginar, falaremos sobre termistores do tipo NTC.

Quatro abordagens para encontrar uma fórmula de curva

Agora que entendemos melhor o comportamento dos termistores, você pode se perguntar como podemos usar o Arduino para medir a temperatura. A curva no gráfico acima é não linear e, portanto, uma equação linear simples não funciona para nós (na verdade, podemos derivar a equação, mas mais sobre isso mais tarde).

Então, o que você faz?

Antes de continuar, pense em como você faria isso em um Arduino ou mesmo em um circuito sem componentes de microprocessador.

Existem várias maneiras de resolver esse problema, listadas a seguir. Isso está longe de lista completa de todas as técnicas, mas ele mostrará algumas abordagens populares.

Método 1

Alguns fabricantes fornecem informações tão completas que contêm um gráfico inteiro exibindo faixas específicas de valores inteiros de temperatura e resistência (valores típicos). Um desses termistor pode ser encontrado na folha de dados Vishay.

Como, com esses dados detalhados, seria possível implementar a medição de temperatura em um Arduino. Você precisaria codificar permanentemente todos esses valores em uma tabela de pesquisa enorme ou em estruturas de controle "switch ... case" ou "if ... else" muito longas.

E se o fabricante não se preocupou em fornecer uma tabela detalhada, então você mesmo terá que medir cada ponto para formar tal tabela. Este dia será muito enfadonho para um programador. Mas esse método não é tão ruim e tem um lugar para ser usado. Se o projeto atual está verificando apenas alguns pontos ou mesmo uma pequena faixa, este método pode ser preferível. Por exemplo, uma dessas situações surge se você deseja medir se os valores estão nas faixas de temperatura selecionadas e acender um LED para indicar esta condição.

Mas em nosso projeto, queremos medir a temperatura em uma faixa quase contínua e enviar a leitura para o monitor da porta serial, portanto, não usaremos este método.

Método 2

Você pode tentar "linearizar" a resposta do termistor adicionando circuitos adicionais a ele.

Uma maneira popular de fazer isso é conectando um resistor em paralelo com o termistor. Alguns chips se oferecem para fazer isso por você.

Determinar como selecionar e linearizar uma parte da curva, junto com a escolha do valor correto do resistor, é um tópico para um artigo separado. Essa abordagem é boa se o microprocessador não puder calcular expressões de ponto flutuante (como PICAXE), pois simplifica a resposta em uma certa faixa de temperatura à linearidade. Também torna mais fácil projetar um circuito que não tenha um microprocessador.

Mas temos um microprocessador neste artigo e queremos medir a temperatura em toda a faixa.

Método 3

Você pode obter dados da tabela em descrição técnica ou (se você gosta de perversões) crie sua própria tabela tomando medidas independentes e recriando o gráfico em algo como o Excel. Em seguida, você pode usar a função de ajuste de curva para criar uma fórmula para essa curva. Esta não é uma má ideia, e todo o trabalho realizado lhe dará uma bela fórmula que você pode usar em seu programa. Mas vai demorar algum tempo para o pré-processamento dos dados.

Embora essa seja uma abordagem sensata, não queremos depender da análise de todos esses dados. Além disso, cada termistor é ligeiramente diferente (mas é claro que isso não é um problema se a tolerância for bastante baixa).

Método 4

Acontece que existe uma fórmula geral de ajuste de curva para dispositivos como termistores. É chamada de equação de Steinhart-Hart. Abaixo está uma versão dele (em outras versões, os termos do segundo e do grau são usados):

\ [\ frac (1) (T) = A + B \ ln (R) + C (\ ln (R)) ^ 3 \]

onde R é a resistência do termistor na temperatura T (em Kelvin).

Esta é uma equação de curva geral adequada para todos os tipos de termistores NTC. A aproximação da relação entre temperatura e resistência é “boa o suficiente” para a maioria das aplicações.

Observe que a equação precisa das constantes A, B e C. Elas são diferentes para diferentes termistores e devem ser especificadas ou calculadas. Como temos três incógnitas, você precisa fazer três medições de resistência em temperaturas específicas, que podem então ser usadas para criar três equações e determinar os valores dessas constantes.

Mesmo para aqueles de nós que conhecem bem a álgebra, ainda consome muito tempo.

Em vez disso, existe uma equação ainda mais simples que é menos precisa, mas contém apenas uma constante. Essa constante é denotada como β e, portanto, a equação é chamada de β-equação.

\ [\ frac (1) (T) = \ frac (1) (T_o) + (\ frac (1) (\ beta)) \ cdot \ ln \ left (\ frac (R) (R_o) \ right) \ ]

onde R 0 - resistência à temperatura de controle T 0 (por exemplo, resistência à temperatura ambiente). β geralmente é indicado na folha de dados; caso contrário, você só precisa de uma dimensão (uma equação) para calcular essa constante. Usarei essa equação para interagir com nosso termistor, já que é o mais simples que encontrei e não precisa linearizar a resposta do termistor.

Medindo resistência com Arduino

Agora que escolhemos o método de ajuste de curva, precisamos descobrir como realmente medir a resistência com o Arduino antes de inserir as informações de resistência na equação β. Podemos fazer isso usando um divisor de tensão:

Este será o nosso circuito de interação de termistor. Quando o termistor detecta uma mudança na temperatura, isso se reflete na tensão de saída.

Agora, como de costume, usamos a fórmula do divisor de tensão.

Mas não estamos interessados na saída da tensão de saída V, estamos interessados na resistência do termistor R termistor. Portanto, vamos expressá-lo:

Isso é muito melhor, mas precisamos medir nossa tensão de saída, bem como a tensão de alimentação. Como estamos usando o ADC integrado do Arduino, podemos representar a tensão como um valor numérico em uma escala específica. Portanto, a forma final da nossa equação é mostrada abaixo:

Isso funciona porque não importa como representemos a tensão (em volts ou em unidades digitais), essas unidades se cancelam no numerador e denominador da fração, deixando um valor adimensional. Em seguida, multiplicamos pela resistência para obter o resultado de ohm.

Teremos D max igual a 1023, pois este é o maior número que nosso ADC de 10 bits pode produzir. D medido é o valor medido do conversor analógico-digital, que pode variar de zero a 1023.

Tudo! Agora você pode começar a montar!

Vamos colocá-lo juntos

Usei um termistor TH10K.

Eu também usei um resistor de 10k como o equilíbrio R em nosso divisor de tensão. Eu não tinha a constante β, então calculei sozinho.

Abaixo está um diagrama completo do dispositivo. É muito simples.

E é assim que o layout final se parece:

Código Arduino

O código tem muitos comentários para ajudá-lo a entender a lógica do programa.

Basicamente, ele mede a tensão no divisor, calcula a temperatura e a exibe no terminal da porta serial.

Por diversão, algumas declarações "if ... else" também foram adicionadas para mostrar como você pode agir dependendo da faixa de temperatura.

// ====================================================== =================================== // Constantes // ============== = ======================================================= = ================ // Termistor relacionado: / * Aqui temos algumas constantes que facilitam a edição do código. Vamos examiná-los. Uma leitura do ADC pode fornecer um valor em uma amostra e, em seguida, um valor ligeiramente diferente na próxima amostra. Para evitar a influência do ruído, podemos ler os valores do pino ADC várias vezes e, em seguida, fazer a média dos valores para obter um valor mais constante. Esta constante é usada na função readThermistor. * / const int SAMPLE_NUMBER = 10; / * Para usar a equação beta, precisamos saber o valor do segundo resistor em nosso divisor. Se você estiver usando um resistor com uma grande tolerância, como 5% ou mesmo 1%, meça e coloque a leitura de ohm aqui. * / const double BALANCE_RESISTOR = 9710.0; // Isso ajuda no cálculo da resistência do termistor (consulte o artigo para obter detalhes). const double MAX_ADC = 1023,0; / * Esta constante é dependente do termistor e deve estar na folha de dados, ou consulte o artigo sobre como calculá-la usando a equação beta. * / const double BETA = 3974,0; / * Necessário para a equação de conversão como temperatura ambiente "típica". * / const double ROOM_TEMP = 298,15; // temperatura ambiente em Kelvin / * Os termistores têm uma resistência típica à temperatura ambiente, indicamos aqui. Novamente, necessário para a equação de transformação. * / const double RESISTOR_ROOM_TEMP = 10000.0; // ====================================================== =================================== // Variáveis // ============== ======================================================== =============== // Aqui vamos armazenar a temperatura atual double currentTemperature = 0; // ====================================================== =================================== // Declaração de conclusões // ============ == ====================================================== == ================ // Entradas: int thermistorPin = 0; // Entrada ADC, saída do divisor de tensão // ============================================ ============================================ // Inicialização // ====== = ======================================================== ========================== void setup () (// Definir a velocidade da porta para enviar mensagens Serial.begin (9600);) // ==== = ======================================================== ============================ // Loop principal // ==================== ========================================================== ========== void loop () (/ * O loop principal é bem simples, ele imprime a temperatura no monitor serial. O coração do programa está na função readThermistor. * / currentTemperature = readThermistor (); atraso (3000); / * Veja o que fazer se a temperatura estiver muito alta, muito baixa ou perfeita. * / if (currentTemperature> 21.0 && currentTemperature< 24.0) { Serial.print("It is "); Serial.print(currentTemperature); Serial.println("C. Ahhh, very nice temperature."); } else if (currentTemperature >= 24,0) (Serial.print ("é"); Serial.print (currentTemperature); Serial.println ("C. Eu me sinto como um tamale quente!");) Else (Serial.print ("É") ; Serial.print (currentTemperature); Serial.println ("C. Brrrrrr, está" FRIO! ");)) // ======================= ========================================================== ======== // Funções // ========================================= ================================================ //////// /////////////////////// ////// readThermistor /////// ///////////////// ////////////// / * Esta função lê os valores da saída analógica conforme mostrado abaixo. Converte a tensão de entrada em representação digital usando uma conversão analógica para digital. é feito várias vezes para que pudéssemos ter feito a média do valor para evitar erros de medição. Este valor médio é então usado para calcular a resistência do termistor. A resistência é então usada para calcular a temperatura do termistor. Finalmente, a temperatura é convertida para graus Celsius. * / double readThermistor () (// variáveis double rThermistor = 0; // Armazena o valor da resistência do termistor double tKelvin = 0; // Armazena a temperatura calculada double tCelsius = 0; // Armazena a temperatura em graus Celsius double adcAagraph = 0; // Armazena o valor de tensão média int adcSamples; // Matriz para armazenar resultados individuais // de medições de tensão / * Calcule a resistência média do termistor: Como mencionado acima, leremos os valores ADC várias vezes para obter uma matriz de amostras. Um pequeno atraso é usado para que a função analogRead funcione corretamente. * / para (int i = 0; i< SAMPLE_NUMBER; i++) { adcSamples[i] = analogRead(thermistorPin); // прочитать значение на выводе и сохранить delay(10); // ждем 10 миллисекунд } /* Затем мы просто усредняем все эти выборки для "сглаживания" измерений. */ for (int i = 0; i < SAMPLE_NUMBER; i++) { adcAverage += adcSamples[i]; // складываем все выборки. . . } adcAverage /= SAMPLE_NUMBER; // . . . усредняем их с помощью деления /* Здесь мы рассчитываем сопротивление термистора, используя уравнение, описываемое в статье. */ rThermistor = BALANCE_RESISTOR * ((MAX_ADC / adcAverage) - 1); /* Здесь используется бета-уравнение, но оно отличается от того, что описывалось в статье. Не беспокойтесь! Оно было перестроено, чтобы получить более "красивую" формулу. Попробуйте сами упростить уравнение, чтобы поупражняться в алгебре. Или просто используйте показанное здесь или то, что приведено в статье. В любом случае всё будет работать! */ tKelvin = (BETA * ROOM_TEMP) / (BETA + (ROOM_TEMP * log(rThermistor / RESISTOR_ROOM_TEMP))); /* Я буду использовать градусы Цельсия для отображения температуры. Я сделал это, чтобы увидеть типовую комнатную температуру, которая составляет 25 градусов Цельсия. */ tCelsius = tKelvin - 273.15; // преобразовать кельвины в цельсии return tCelsius; // вернуть температуру в градусах Цельсия }

Próximas etapas possíveis

Tudo neste artigo mostra uma maneira bastante simples de medir a temperatura usando um termistor barato. Existem mais algumas maneiras de melhorar o circuito:

adicione um pequeno capacitor paralelo à saída do divisor. Isso estabiliza a tensão e pode até eliminar a necessidade de calcular a média de um grande número de amostras (como foi feito no código) - ou pelo menos podemos calcular a média de menos amostras;
use resistores de precisão (tolerância inferior a 1%) para medições mais previsíveis. Se você é crítico quanto à precisão da medição, lembre-se de que o autoaquecimento do termistor pode afetar a medição; o autoaquecimento não é compensado neste artigo.

Claro, os termistores são apenas um dos sensores usados para medir a temperatura. Outra escolha popular são os chips sensores (é descrito um exemplo de como trabalhar com um deles). Nesse caso, você não precisa lidar com linearização e equações complexas. As outras duas opções são termopar e tipo de sensor infravermelho; este último pode medir a temperatura sem contato físico, mas não é mais tão barato.

Espero que o artigo tenha sido útil. Deixe seus comentários!