термистор ntc — характеристики (ВАХ), подключение, проверка на работоспособность
Содержание:
Термисторы NTC- это особый тип резистора, который имеет отрицательный температурный коэффициент. Это его основная особенность, которая понятна из самого слова «термо». Его внутреннее сопротивление сокращается по мере роста температуры. Обычно, эти радиодетали используются в температурных датчиках из-за своих токоограничивающих свойств.
Величина этого коэффициента у термистора выше в несколько раз, чем у силисторов – температурных датчиков, изготовленных на кремниевой основе и более чем на порядок выше( то есть в 10 раз), чем у датчиков RTD. Рабочий диапазон термистора лежит в диапазоне от -50 до +200 градусов. В данной статье описаны все особенности и отличия, устройство и схема подключения этой радиодетали, а также как и где их можно применять. Статья также содержит видеоролик и одну научную статью, посвященную рассматриваемому вопросу.
Различные термисторыХарактеристики термисторов NTCВ отличие от RTD (температурные детекторы сопротивления), изготовленные из металлов, термисторы NTC обычно изготавливаются из керамики или полимеров.
Различные используемые материалы приводят к различным температурным откликам, а также к другим характеристикам. Хотя большинство термисторов NTC обычно подходят для использования в температурном диапазоне от -55 ° C до 200 ° C, где они дают наиболее точные показания, существуют специальные семейства термисторов NTC, которые могут использоваться при температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15 ° C), а также те, которые специально предназначены для использования выше 150 ° C. Температурная чувствительность датчика NTC выражается как «процентное изменение на градус C». В зависимости от используемых материалов и особенностей производственного процесса типичные значения чувствительности к температуре колеблются от -3% до -6% на ° С.
Термистор NTC – термочувствительный резистор, сопротивление которого демонстрирует большое, точное и прогнозируемое снижение по мере того, как температура ядра резистора увеличивается в диапазоне рабочих температур.
Три различных термистора NTCХарактеристическая кривая NTCКак видно из рисунка, термисторы NTC имеют гораздо более крутой наклон сопротивления-температуры по сравнению с RTD платинового сплава, что приводит к лучшей температурной чувствительности.
Тем не менее, RTD остаются наиболее точными датчиками, точность которых составляет ± 0,5% от измеренной температуры, и они полезны в температурном диапазоне от -200 ° C до 800 ° C, что намного шире, чем у датчиков температуры NTC.
По сравнению с RTD, NTC имеют меньший размер, более быстрый отклик, большую устойчивость к ударам и вибрации и имеют более низкую себестоимость. Они немного менее точны, чем RTD. По сравнению с термопарами точность, полученная от обоих, аналогична; однако термопары выдерживают очень высокие температуры (порядка 600 ° C) и используются вместо термисторов NTC, где их иногда называют пирометрами. Тем не менее, термисторы NTC обеспечивают большую чувствительность, стабильность и точность, чем термопары при более низких температурах, и используются с меньшими затратами электроэнергии и, следовательно, имеют более низкие общие затраты.
Стоимость дополнительно снижается из-за отсутствия необходимости в схемах формирования сигнала (усилители, переводчики уровня и т.
д.), Которые часто необходимы при работе с RTD и всегда необходимы для термопар.
- Температурный диапазон:приблизительный общий диапазон температур, в которых может использоваться тип датчика. В пределах заданного температурного диапазона некоторые датчики работают лучше, чем другие.
- Относительная стоимость:относительная стоимость, поскольку эти датчики сравниваются друг с другом. Например, термисторы недороги по отношению к термометрам сопротивления, отчасти потому, что предпочтительным материалом для термопреобразователей сопротивления является платина.
- Постоянная времени:приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое термистору требуется для достижения 63,2% разницы температур от начального показания до окончательного.
- Стабильность:способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.
- Чувствительность:степень реакции на изменение температуры.
Эффект самонагреваИнтересно почитать: фотореле в уличном освещении.
Эффект самонагрева — это явление, которое происходит, когда ток протекает через термистор NTC. Поскольку термистор в основном является резистором, он рассеивает энергию в виде тепла, когда через него протекает ток. Это тепло генерируется в сердечнике термистора и влияет на точность измерений. Степень, в которой это происходит, зависит от количества протекающего тока, окружающей среды (будь то жидкость или газ, есть ли какой-либо поток над датчиком NTC и т. д.), Температурный коэффициент термистора, общее количество термистора области и т. д. Тот факт, что сопротивление датчика NTC и, следовательно, ток протекания через него, зависит от окружающей среды и часто используется в резервуарах для хранения жидкости.
ТеплоемкостьТеплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры термистора на 1 ° C и обычно выражается в мДж / ° C.
Знание точной теплоемкости имеет большое значение при использовании датчика термистора NTC в качестве ограничителя пускового тока, поскольку он определяет скорость отклика датчика температуры NTC.
Тщательный процесс отбора должен учитывать константу рассеяния термистора, постоянную времени термической обработки, значение сопротивления, кривую сопротивления-сопротивления и допуски, чтобы учесть в наиболее важных факторах.
[stextbox id=’info’]Поскольку зависимость между сопротивлением и температурой (кривая R-T) сильно нелинейна, в практических схемах системы должны использоваться определенные приближения.[/stextbox]
Приближение первого порядкаОдним приближением и простейшим в использовании является приближение первого порядка, в котором говорится, что:
формула приближения первого порядка: dR = k * dT
Где k — отрицательный температурный коэффициент, ΔT — разность температур, ΔR — изменение сопротивления, возникающее в результате изменения температуры.
Это приближение первого порядка справедливо только для очень узкого температурного диапазона и может быть использовано только для таких температур, где k почти постоянна во всем диапазоне температур.
Бета-формула
Другое уравнение дает удовлетворительные результаты с точностью ± 1 ° C в диапазоне от 0 ° C до + 100 ° C. Он зависит от единственной константы материала β, которая может быть получена путем измерений. Уравнение можно записать в виде:
Бета-уравнение: R (T) = R (T0) * exp (бета * (1 / T-1 / T0))
Где R (T) — сопротивление при температуре T в Кельвине, R (T0) является точкой отсчета при температуре T0. Бета-формула требует двухточечной калибровки и обычно не более чем ± 5 ° C по всему полезному диапазону термистора NTC.
Уравнение Штейнхарта-Харта
Наилучшим приближением, известным на сегодняшний день, является формула Штейнхарта-Харта, опубликованная в 1968 году:
Уравнение Штейнхарта для точного приближения: 1 / T = A + B * (ln (R)) + C * (ln (R)) ^ 3.
Где ln R — естественный логарифм сопротивления при температуре T в Кельвине, а A, B и C — коэффициенты, полученные из экспериментальных измерений. Эти коэффициенты обычно публикуются поставщиками термисторов в составе таблицы данных. Формула Штейнхарта-Харта, как правило, составляет около ± 0,15 ° С в диапазоне от -50 ° С до + 150 ° С, что является большим для большинства применений. Если требуется высокая точность, диапазон температур должен быть уменьшен, а точность лучше, чем ± 0,01 ° C в диапазоне от 0 ° C до + 100 ° C.
ТермисторыВыбор правильного приближенияВыбор формулы, используемой для получения температуры из измерения сопротивления, должен основываться на доступной вычислительной мощности, а также на фактических требованиях допуска. В некоторых приложениях приближение первого порядка более чем достаточно, в то время как в других случаях даже уравнение Штейнхарта-Харта удовлетворяет требованиям, а термистор должен быть откалиброван по пунктам, делая большое количество измерений и создавая таблицу поиска.
Материалами, обычно используемыми при изготовлении NTC-резисторов, являются платина, никель, кобальт, железо и оксиды кремния, используемые в виде чистых элементов или керамики и полимеров. Термисторы NTC можно разделить на три группы, в зависимости от используемого производственного процесса.
ТерморезисторыФорма бисера или шарика. Эти термисторы NTC изготовлены из свинцовых проводов из платинового сплава, непосредственно спеченных в керамический корпус. Они обычно обеспечивают быстрое время отклика, лучшую стабильность и позволяют работать при более высоких температурах, чем дисковые и чип-датчики NTC, однако они более хрупкие. Обычно они запечатывают их в стекле, чтобы защитить их от механических повреждений во время сборки и улучшить их стабильность измерений. Типичные размеры колеблются от 0,075 до 5 мм в диаметре.
Термисторы с различными техническими характеристикамиПреимущества и недостатки NTC и PTC
Термисторы NTC прочны, надежны и стабильны, и они оборудованы для работы в экстремальных условиях окружающей среды и помехоустойчивости в большей степени, чем другие типы датчиков температуры.
- Компактный размер: варианты упаковки позволяют им работать в небольших или ограниченных пространствах; тем самым занимая меньше места на печатных платах.
- Быстрое время отклика: небольшие размеры позволяют быстро реагировать на изменение температуры, что важно, когда требуется немедленная обратная связь.
- Экономичность: термисторы не только дешевле, чем другие типы датчиков температуры; Если приобретенный термистор имеет правильную кривую RT, никакая другая калибровка не требуется во время установки или в течение срока ее эксплуатации.
- Совпадение точек: способность получить определенное сопротивление при определенной температуре.
- Соответствие кривой: сменные термисторы с точностью от +.
Термисторы просты в использовании, недороги, прочны и предсказуемо реагируют на изменения температуры. Хотя они не очень хорошо работают при чрезмерно высоких или низких температурах, они являются предпочтительным датчиком для применений, которые измеряют температуру в желаемой базовой точке.
Они идеальны, когда требуются очень точные температуры. Некоторые из наиболее распространенных применений термисторов используются в цифровых термометрах, в автомобилях для измерения температуры масла и охлаждающей жидкости, а также в бытовых приборах, таких как духовки и холодильники, но они также встречаются практически в любом приложении, где для обеспечения безопасности требуются защитные контуры отопления или охлаждения.
[stextbox id=’info’] Для более сложных приложений, таких как детекторы лазерной стабилизации, оптические блоки и устройства с зарядовой связью, встроен термистор. Например, термистор 10 кОм является стандартом, который встроен в лазерные пакеты.[/stextbox]
Диск и чип-термисторыТермистор в виде диска. Терморезисторы NTC имеют металлизированные поверхностные контакты. Они больше и, как результат, имеют более медленное время реакции, чем резисторы NTC типа шариков. Однако из-за их размера они имеют более высокую константу диссипации (мощность, необходимая для повышения их температуры на 1 ° C), и поскольку мощность, рассеиваемая термистором, пропорциональна квадрату тока, они могут обрабатывать более высокие токи намного лучше, чем шариковый тип термисторов.
Термисторы с типом диска производятся путем прессования смеси оксидных порошков в круглую матрицу, которые затем спекаются при высоких температурах. Чипы обычно изготавливают методом литья под давлением, где суспензию материала распределяют в виде толстой пленки, сушат и разрезают в форму. Типичные размеры колеблются от 0,25 до 25 мм в диаметре.
Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.
Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытиемЭто датчики температуры NTC, запечатанные в воздухонепроницаемом стеклянном пузыре. Они предназначены для использования при температурах выше 150 ° C или для монтажа на печатной плате, где требуется прочность. Инкапсуляция термистора в стекле повышает стабильность датчика, а также защиту датчика от окружающей среды. Они изготавливаются герметично уплотняющими резисторами типа NTC в стеклянный контейнер. Типичные размеры колеблются от 0,4 до 10 мм в диаметре.
Типичные области применения
Термисторы NTC используются в широком спектре применений.
Они используются для измерения температуры, температуры управления и температурной компенсации. Они также могут использоваться для обнаружения отсутствия или наличия жидкости, в качестве устройств ограничения тока в цепях питания, мониторинга температуры в автомобильных агрегатах и многих других. Датчики NTC можно разделить на три группы, в зависимости от электрической характеристики, используемой в агрегатах и устройствах.
Приложения, основанные на характеристике сопротивления-времени, включают измерение температуры, контроль и компенсацию. К ним также относятся ситуации, в которых используется термистор NTC, так что температура датчика температуры NTC связана с некоторыми другими физическими явлениями. Эта группа агрегатов требует, чтобы термистор работал в условиях нулевой мощности, что означает, что ток проходящий через него поддерживается как можно на более низком уровне, чтобы избежать нагрева зонда.
youtube.com/embed/EQ2S3P8zIzE?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»» title=»ЧТО ТАКОЕ ТЕРМИСТОР / ТЕРМОРЕЗИСТОР / ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЕ»> Устройствами, основанными на характеристике текущего времени, являются: временная задержка, ограничение пускового тока, подавление перенапряжений и многое другое. Эти характеристики связаны с теплоемкостью и постоянной диссипации используемого термистора NTC. Схема обычно полагается на термистор NTC, нагреваясь из-за проходящего через него тока. В какой-то момент это вызовет какое-то изменение в схеме, в зависимости от устройства, в котором оно используется.
Характеристика напряженияУстройства, основанные на характеристике напряжения и тока термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения схемы, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от применения это может использоваться для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.
Какие типы и формы термистора доступны на рынке
Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа. Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей.
Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.
Заключение
Более подробно о термисторе рассказано в статье 2007_06_32. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.meanders.ru
www.ephy-mess.de
www.voltstab.ru
Предыдущая
ПолупроводникиЧто такое адресная светодиодная лента
Следующая
ПолупроводникиЧто такое полевые транзисторы?
SMD-терморезисторы Murata Electronics
Японская корпорация Murata была основана во время Второй мировой войны — в 1944 г. Первым продуктом предприятия Акиры Мураты были керамические конденсаторы. За 70 лет небольшая фабрика переросла в огромный транснациональный конгломерат, имеющий множество филиалов по всему миру и выпускающий широчайший ассортимент электронной продукции.
Завоеванию рынка способствуют как высокое качество товаров, так и удачные сделки по слиянию и поглощению конкурентов.
В каталоге «Промэлектроники» продукция Murata представлена конденсаторами, индуктивностями, резисторами, кварцевыми резонаторами и другими компонентами. Из числа новых поступлений стоит выделить терморезисторы.
Терморезисторы, или термисторы — это нелинейные резисторы, которые обладают высоким ТКС — температурным коэффициентом сопротивления. Любой материал изменяет своё сопротивление при изменении температуры. Но если в обычных резисторах имеет смысл получать как можно меньший ТКС, то для термисторов, применяемых в роли своего рода температурных датчиков, требуется иметь заданное значение ТКС, в десятки раз превышающее ТКС металлических, металлокерамических и др. резисторов. Термисторы чаще всего изготавливают из полупроводников: оксидов, галогенидов, халькогенидов металлов. За номинальное сопротивление у термисторов берётся их сопротивление при +25°C.
Существует два типа термисторов: с положительным ТКС (позисторы) и отрицательным ТКС.
В англоязычной терминологии они обозначаются как PTC (positive temperature coefficient) и NTC (negative temperature coefficient). Терморезисторы Murata из новой партии относятся к последним, о чём свидетельствует «NC» в их маркировке.
SMD-термисторы Murata предназначены для:
- температурной компенсации диодов, транзисторов, интегральных микросхем;
- температурной компенсации жидкокристаллических дисплеев;
- применения в качестве температурных датчиков в аккумуляторных батареях.
Такая универсальность достигается благодаря небольшим габаритам (типоразмер 0603) данных терморезисторов. Кроме того, они отличаются высокой стабильностью как во времени, так и при влиянии окружающей среды, обладают достаточно высокой точностью (допуск до ±5%) и широким диапазоном номинальных сопротивлений.
Информация о цене и наличии терморезисторов из нового поступления сведена в таблицу ниже. Остальные терморезисторы Murata в нашем каталоге доступны по ссылке.
NCP18Xh203F03RB
NTC-термистор 10кОм 0.
1Вт ±1% Поверхностного монтажа
Производитель:
Наличие:
5 403 шт
Под заказ:
65 434 шт
Цена от:
от 2,01₽
Акция NCP15Xh203F03RC NTC-термистор 10кОм ±1% Поверхностного монтажа Производитель: MURATA Корпус: 0402
Наличие:
10 шт
Под заказ:
0 шт
Цена от:
от 1,22₽
NCP18WF104J03RB
NTC-термистор 100кОм 0.
Наличие:
4 540 шт
Под заказ:
0 шт
Цена от:
от 3,75₽
NCP18WB333J03RB NTC-термистор 33кОм ±5% двухвыводной 0603 для поверхностного монтажа 4050K лента на катушке Производитель: MURATA Корпус: 0603
Наличие:
5 229 шт
Под заказ:
38 489 шт
Цена от:
от 5,08₽
Новинка
NCP21WB473J03RA
NTC-термистор 47кОм ±5% двухвыводной 0805 для поверхностного монтажа 4050K лента на катушке
Производитель:
Наличие:
1 695 шт
Под заказ:
10 700 шт
Цена от:
от 5,59₽
Процесс производства термистораNTC — информация о термисторе
Входной контроль
Все сырьевые материалы после получения проверяются на соответствие их физическим и электрическим характеристикам.
Уникальный идентификационный номер назначается и используется для отслеживания партии.
Сырьевая смесь
NTC Производство термисторов начинается с точного смешивания сырья с раствором органического связующего. Это сырье представляет собой порошкообразные оксиды переходных металлов, такие как оксиды марганца, никеля, кобальта и меди. В смесь добавляются и другие стабилизаторы. Оксиды и связующие объединяются с использованием метода мокрого процесса, называемого шаровой мельницей. В процессе шаровой мельницы материалы смешиваются, а размер частиц оксидных порошков уменьшается. Готовая однородная смесь имеет консистенцию густой кашицы. Точный состав различных оксидов металлов и стабилизаторов определяет термостойкость и удельное сопротивление обожженного керамического компонента.
Tape Cast
«Жидкость» распределяется по движущемуся пластиковому несущему листу с использованием ракельной техники. Точная толщина материала регулируется путем регулировки высоты ракеля над пластиковым несущим листом, скорости несущего листа и регулировки вязкости суспензии.
Литой материал высушивается, когда его проводят через длинную туннельную печь при повышенных температурах на плоской литейной ленте. Полученная «зеленая» лента пластична и легко формуется. Затем лента подвергается проверке качества и анализу. Эта термисторная лента отливается в широком диапазоне толщин от 0,001 дюйма до более 0,100 дюйма в зависимости от спецификации конкретного компонента.
Формование вафель
Теперь литая лента готова для формирования вафель. Когда нужен тонкий материал, ленту просто разрезают на квадратики. Для более толстых пластин лента разрезается на квадраты, которые затем укладываются друг на друга. Эти сложенные пластины затем ламинируют друг с другом. Это позволяет нам производить пластины практически любой требуемой толщины. Затем пластины проходят дополнительную проверку качества для обеспечения высокой однородности и качества. Затем пластины подвергают циклу выгорания связующего. Этот процесс удаляет большую часть органических связующих из пластины.
Во время цикла выгорания связующего поддерживается точный контроль времени/температуры, чтобы предотвратить неблагоприятные физические нагрузки на термисторные пластины.
Агломерат
Пластины нагреваются до очень высоких температур в окислительной атмосфере. При этих высоких температурах оксиды реагируют друг с другом и сплавляются вместе, образуя шпинельную керамическую матрицу. В процессе спекания материал уплотняется до заданной степени, и границы зерен керамики могут расти. В процессе спекания поддерживается точный температурный профиль, чтобы избежать разрушения пластин и обеспечить производство готовой керамики, способной производить компоненты с однородными электрическими характеристиками. После спекания пластины снова подвергаются контролю качества, а их электрические и физические характеристики документируются.
Электрод
Омический контакт с керамической пластиной достигается с использованием толстопленочного электродного материала. Материал обычно представляет собой серебро, палладий-серебро, золото или платину в зависимости от применения.
Материал электрода состоит из смеси металла, стекла и различных растворителей и наносится на две противоположные поверхности пластины или чипа трафаретной печатью, распылением или кистью. Электродный материал обжигают на керамике в толстопленочной ленточной печи, и между керамикой и электродом образуется электрическое соединение и механическая связь. Затем металлизированные пластины проверяются, и их характеристики документируются. Точный контроль во время электродного процесса гарантирует, что компоненты, изготовленные из пластин, будут иметь исключительную долгосрочную надежность.
Кубики
Электродные термисторные пластины нарезаются на мелкие кусочки с помощью высокоскоростных полупроводниковых пил. В пилах используются алмазные диски, и они способны производить большое количество чрезвычайно однородных штампов. Полученные чипы термистора могут иметь площадь от 0,010 до более 1000 квадратных дюймов. Различия в размерах чипов в группе нарезанных кубиками термисторных чипов практически неизмеримы.
Типичная пластина термистора может дать тысячи чипов термистора. После нарезки чипы очищают и проверяют на размерные и электрические характеристики. Электрическая проверка включает в себя проверку номинального значения сопротивления, характеристик сопротивление-температура, выход продукции и определение приемлемости партии для конкретного применения. Сопротивление и сопротивление-температура измеряются с помощью прецизионных температурных бань, регулируемых с точностью до 0,001° Цельсия. Все испытательное оборудование U.S. Sensor Corp.®, приобретенное Littelfuse в 2017 году, регулярно калибруется и соответствует требованиям N.I.S.T. Кроме того, Littelfuse поддерживает первичные стандарты температуры и сопротивления.
Испытание на сопротивление
Все термисторы проверяются на надлежащее значение сопротивления, обычно 25°C. Обычно чипы тестируются автоматически, но их также можно тестировать вручную в зависимости от произведенного количества и спецификации. Автоматические обработчики чипов связаны с оборудованием для проверки сопротивления и компьютерами, которые программируются оператором для размещения чипов в различные ячейки в зависимости от их значения сопротивления.
Каждый автоматический обработчик стружки способен тестировать до 9000 деталей в час с исключительной точностью. В дополнение к сортировщикам стружки у Littelfuse есть несколько автоматических манипуляторов выводных компонентов, которые способны сортировать готовые термисторы по одиннадцати ячейкам. Автоматические сортировщики обеспечивают повышение качества продукции, а также сокращение сроков выполнения заказов и снижение затрат.
Крепление для подводящих проводов
В некоторых случаях термисторы продаются в виде микросхем и не требуют подводящих проводов, однако в большинстве случаев подводящие провода необходимы. Микросхемы термисторов прикрепляются к выводным проводам либо пайкой, либо прижимным контактом в корпусе диодного типа. В процессе пайки чипы термисторов нагружаются на выводные рамки, которые опираются на натяжение пружины проводов, чтобы удерживать чип во время процесса пайки. Затем сборку погружают в ванну с расплавленным припоем и извлекают. Скорость погружения и время выдержки точно контролируются, чтобы термистор не подвергался чрезмерному тепловому удару.
Также используются специальные флюсы для повышения эффективности пайки без повреждения микросхемы термистора. Припой прилипает к электроду чипа и к подводящему проводу, тем самым обеспечивая прочное соединение провода с чипом. Для термисторов в корпусе диодного типа «DO-35» чип термистора удерживается между двумя выводными проводами в осевом направлении. Стеклянный рукав помещается вокруг сборки, и сборка нагревается до повышенной температуры, при которой стеклянная втулка плавится вокруг микросхемы термистора и прилегает к выводным проводам. Как и в диодной конструкции, давление, которое стекло оказывает на сборку, обеспечивает необходимый контакт между выводами и чипом термистора.
Провода, используемые в термисторах, обычно изготовлены из меди, никеля или сплава и обычно покрыты оловом или припоем. Материал подводящего провода из сплава с низкой теплопроводностью может использоваться в определенных приложениях, требующих термической изоляции термистора от подводящего провода.
В большинстве приложений это позволяет термистору быстрее реагировать на изменения температуры. После крепления проверяется соединение между выводным проводом и чипом. Прочный интерфейс припоя помогает гарантировать долгосрочную надежность готового термистора.
Инкапсуляция
Для защиты термистора от рабочей атмосферы, влажности, химического воздействия и контактной коррозии термистор с выводами часто покрывают защитным конформным покрытием. Герметик обычно представляет собой эпоксидную смолу с высокой теплопроводностью. Другие герметики включают силикон, керамический цемент, лак, уретан и термоусадочную оболочку. Герметик также помогает обеспечить хорошую механическую целостность устройства. При выборе герметизирующего материала учитывают тепловую реакцию термистора. В приложениях, где важна быстрая тепловая реакция, используется тонкий слой герметика с высокой теплопроводностью. Если защита окружающей среды более важна, может быть выбран другой герметик. Инкапсуляторы, такие как эпоксидная смола, силикон, керамический цемент, лак и уретан, обычно наносятся с использованием процесса погружения, и материал либо оставляют для отверждения при комнатной температуре, либо помещают в печь при повышенной температуре.
На протяжении всего процесса используется точный контроль времени, температуры и вязкости, чтобы гарантировать, что не образуются точечные отверстия или другие деформации.
Заделка
Термисторы часто поставляются с клеммами, прикрепленными к концам подводящих проводов. Перед установкой клемм изоляция на подводящих проводах зачищается соответствующим образом, чтобы соответствовать указанной клемме. Эти клеммы прикрепляются к токоведущим проводам с помощью специальных приспособлений для нанесения. Впоследствии клеммы могут быть вставлены в пластиковые или металлические корпуса перед отправкой заказчику.
Датчик в сборе
В целях защиты окружающей среды или для механических целей термисторы часто залиты в корпуса зондов. Эти корпуса могут быть изготовлены из таких материалов, как эпоксидная смола, винил, нержавеющая сталь, алюминий, латунь и пластик. В дополнение к подходящему механическому креплению термисторного элемента корпус защищает его от окружающей среды, которой он будет подвергаться.
Правильный выбор подводящего провода, материала изоляции подводящего провода и герметика обеспечит удовлетворительное уплотнение между термистором и внешней средой.
Маркировка
Готовый термистор можно пометить для облегчения идентификации. Это может быть как простая цветная точка, так и более сложная, например код даты и номер детали. В некоторых случаях в материал покрытия корпуса термистора может быть добавлен краситель для получения определенного цвета. Цветная точка обычно добавляется к корпусу термистора с использованием процесса погружения. Маркировка, требующая буквенно-цифровых символов, производится с помощью маркировочной машины. Эта машина просто помечает деталь перманентными чернилами. Краска отверждается при повышенной температуре.
Окончательная проверка
Все выполненные заказы проверяются на наличие физических и электрических дефектов на основе «Нулевого дефекта». Все параметры проверяются и документируются перед отгрузкой продукции.
Упаковать и отправить
Все термисторы и узлы тщательно упакованы и снабжены этикеткой со штрих-кодом, содержащей как минимум следующую информацию:
- Номер детали Littelfuse
- Номер детали заказчика
- Заказ клиента на поставку №
- Дата отгрузки
- Количество
- Заказ на продажу Littelfuse №
Термисторы для печатных плат NTC в качестве датчиков температуры | Проекты
Во введении к этой серии мы начали работу по тестированию всех доступных типов температуры, создав набор шаблонов проектов: один для аналоговых датчиков и один для цифровых датчиков.
Вы можете найти эти шаблоны и реализации датчиков для этих термисторов NTC на GitHub. Как всегда, эти проекты с открытым исходным кодом выпущены под лицензией MIT, что позволяет вам использовать их с очень небольшими ограничениями.
В этой статье мы начнем с нашего первого типа датчика температуры, термистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Термисторы NTC, вероятно, являются наиболее часто используемым классом датчиков температуры, поскольку они дешевы, просты в использовании и, несмотря на то, что они не очень точны, достаточно точны для большинства приложений.
Если вы хотите приобрести термисторы NTC, зайдите в Octopart и посмотрите, что есть в наличии у вашего любимого дистрибьютора. Вы также можете найти полный спектр термисторов NTC и многие десятки тысяч других компонентов и датчиков в моей Celestial Altium Library, крупнейшей библиотеке с открытым исходным кодом для Altium Designer®.
В этой серии мы рассмотрим широкий спектр датчиков температуры , , расскажем об их преимуществах и недостатках, а также об общих реализациях/топологиях для их реализации.
В эту серию входят:
- Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
- Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
- Датчики температуры сопротивления (RTD)
- ИС аналогового датчика температуры
- ИС цифрового датчика температуры
- Термопары
Несмотря на то, что я только что сказал о термисторах, они не очень точны, они широко используются. Большинству приложений не требуется точность температуры выше нескольких градусов Цельсия. При встроенной базовой тепловой защите или тепловой компенсации термисторы PTC или NTC достаточно хороши. Большинство 3D-принтеров используют термисторы для обогреваемых столов и горячих концов, поэтому вам необходимо откалибровать настройки температуры нити накала для каждого принтера. Для меня, печатающего один и тот же материал тремя разными хотэндами, я получаю три температуры в диапазоне почти 10 °C. Температурные датчики PTC или NTC очень дешевы в использовании, что является фантастическим для недорогих устройств, особенно когда вы можете либо калибровать датчик в цепи во время производства, либо это может сделать пользователь.
Стоимость термисторов компенсируется дополнительными техническими усилиями по получению точных измерений температуры, особенно в широком диапазоне температур. Это делает их очень хорошими для приложений защиты, где приемлемо общее представление о температуре. В большинстве литий-ионных аккумуляторных батарей используется термистор 10k NTC для отключения зарядки, если элементы становятся слишком горячими, чтобы предотвратить катастрофический сбой.
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
Термистор NTC представляет собой резистор, сопротивление которого падает при повышении температуры. Это позволяет типичным методам измерения сопротивления в цепи рассчитать температуру резистора. К сожалению, изменение температуры нелинейно, что означает, что вы не можете напрямую измерить изменение температуры по изменению сопротивления.
Многие производители предоставляют кривую сопротивление-температура и, возможно, даже формулу для расчета температуры по сопротивлению, что означает, что микроконтроллер может использоваться для получения достаточно точных измерений. Допустим, производитель не предоставляет эту информацию. В этом случае вы можете использовать точный датчик температуры или климатическую камеру для измерения датчика в определенных заданных точках, чтобы самостоятельно определить формулу.
В этом проекте мы рассмотрим два разных термистора NTC и несколько вариантов их реализации. Это термисторы с жесткими допусками, но они все же не слишком дороги по сравнению с другими термисторами с более низкими допусками.
Оба компонента предназначены для поверхностного монтажа; тем не менее, сквозные компоненты легко доступны. Обычным применением компонентов сквозного отверстия является их пайка на конце пары проводов для дистанционного зондирования. Если вы хотите протестировать термистор на проводе, не тратя много денег, ищите датчики температуры для 3D-принтеров, обычно это термистор 10К.
Однако в некоторых принтерах вместо них используются термисторы на 100К.
Деталь | НКП03ВФ104Ф05РЛ | НКП15Сх203Ф03РК |
Мин. температура измерения | -40°С | -40°С |
Максимальная температура измерения | +125°С | +125°С |
Диапазон чувствительности | Местный | Местный |
Стойкость при 25°C | 100 кОм | 10 кОм |
Допуск сопротивления | 1% | 1% |
Допуск значения B | 1% | 1% |
Рабочая температура | от -40 °C до +125 °C | от -40 °C до +125 °C |
В0/50 | — | — |
В15/75 | 4250К | 3380К |
В25/75 | — | — |
В25/85 | 4311К | 3434К |
Б25/100 | 4334К | 3455К |
Максимальная мощность (мВт) | 100 мВт | 100 мВт |
Производитель | Мурата | Мурата |
Пакет | 0201 | 0402 |
Диапазон температур срабатывания термисторов является преимуществом по сравнению с некоторыми датчиками, которые мы рассмотрим позже.
Диапазон чувствительности покрывает весь рабочий диапазон датчика, что позволяет использовать его в самых разных приложениях. Поскольку термисторы настолько просты, вы можете использовать их далеко за пределами этих номинальных диапазонов, если ваш припой не превратится в расплавленное состояние или тепловое сжатие не повредит устройство.
Основное различие между двумя датчиками, помимо размера упаковки, заключается в сопротивлении при 25 °C. У нас есть термистор NTC 100k и 10k, которые являются наиболее часто используемыми значениями.
Спецификации для этих двух датчиков выглядят довольно линейно, пока вы не поймете, что ось сопротивления логарифмическая. В линейной шкале, как на графике ниже, мы видим, что сопротивление далеко от линейного при непосредственном считывании.
Источник: Термисторы/Измерение температуры с помощью термисторов NTC Мы можем разместить резистор, который соответствует сопротивлению термистора, в центре интересующего температурного диапазона параллельно термистору, чтобы сделать небольшой участок кривой более линейным.
Это может упростить расчет и калибровку в линейном температурном диапазоне. Предположим, у вас есть возможность измерить полный профиль термистора, чтобы рассчитать значения для формулы термистора, или производитель достаточно любезен, чтобы предоставить их в таблице данных. В этом случае вы можете сэкономить резистор и по-прежнему получать точные измерения во всем диапазоне.
Применение термистора NTC: Делитель напряжения
Самый простой способ измерения температуры — с помощью делителя напряжения. Вы можете использовать термистор как в верхней, так и в нижней части делителя напряжения. Если вы используете термистор в качестве «верхней» ветви делителя потенциала, напряжение будет увеличиваться по мере увеличения температуры. Если вы используете термистор в качестве нижнего плеча делителя напряжения, то напряжение будет уменьшаться при повышении температуры.
Любой метод допустим. Однако я бы предложил попробовать уменьшить ток через делитель, чтобы предотвратить самонагрев термистора.
В зависимости от значения термистора NTC и требований, вы можете оптимизировать реализацию, изменив топологию.
В своей реализации я использую простой делитель, который не оптимизирован для какого-либо конкретного диапазона температур, используя верхний делитель, который соответствует сопротивлению термистора при 25 °C. При 25 °C следует ожидать половину входного напряжения. Предположим, вы строите таким образом датчик температуры. В этом случае вы должны иметь представление о диапазоне температур, с которым вы работаете, и оптимизировать сопротивление и топологию, чтобы обеспечить максимально широкий диапазон напряжения, чтобы иметь возможность более точного измерения температуры.
Обратите внимание, что по мере повышения температуры сопротивление термистора NTC уменьшается. Это означает, что большая часть мощности будет падать на эталонном резисторе, так как на нем больше падение напряжения. Это также помогает предотвратить самонагрев и является хорошей стратегией, если мы хотим измерить температуру выше температуры окружающей среды.
Компоновка печатной платы
Для создания печатной платы мы будем использовать шаблон проекта карты датчика температуры, который мы создали в предыдущей статье этой серии. Шаблон также доступен на GitHub, если вы хотите использовать его для своих собственных датчиков.
Вы можете заметить, что имена досок такие же, как и в шаблоне проекта. Это не упростит управление потенциально десятками этих плат, если все они будут иметь одинаковые имена файлов схем и печатных плат!
Я спросил своего друга Давиде Бортолами, есть ли у него способ переименовать файлы в проекте Altium, так как моя практика заключалась в том, чтобы удалить файл из проекта — переименовать его, а затем снова добавить в проект. Мой способ был довольно неуклюжим, поэтому Давиде сразу же предложил Диспетчер хранилища для переименования файлов. Вы можете найти диспетчер хранилища под кнопкой панелей в правом нижнем углу Altium.
Диспетчер хранилища работает нормально, даже если у вас нет текущего проекта в репозитории с контролем версий.
Все, что нам нужно сделать, это щелкнуть правой кнопкой мыши на схеме или плате и выбрать «Переименовать» (или нажать F2).
Это гораздо более элегантное решение, чем метод, который я обычно использовал.
Затем мы добавляем одну из приведенных выше реализаций на лист схемы. Единственное изменение, которое необходимо внести в шаблонные разделы схемы, — это подключить аналоговый выход датчика к краевому разъему платы.
Поскольку эти схемы несимметричные, а не дифференциальные, мы можем соединить отрицательную сторону пары с землей, а положительная сторона получит выходной сигнал от подключенного к ней делителя напряжения. Затем все, что нам нужно сделать, это обновить плату, чтобы добавить новые компоненты.
Работая над платой, я также заполняю таблицу аналоговых каналов, которую мы разместили в шаблоне, чтобы определить, какой канал использует конкретная сенсорная карта. Это должно снизить вероятность добавления двух датчиков, использующих один и тот же канал, в один стек.
Платы для них, конечно, невероятно просты, на каждую плату добавлено всего два компонента. Я мог бы разместить оба датчика на одной плате, но я хочу оставить по одному датчику на плату. Благодаря тому, что реализация каждого датчика изолирована от собственной печатной платы, ни один датчик не будет влиять на результаты любого другого, поскольку они используют общую плату.
Плата термистора 100k NTC практически идентична компонентам резистора и термистора. Шаблон проекта упрощает работу по созданию серии очень похожих печатных плат.
Реализация NTC: добавление параллельного резистора
Как упоминалось выше, мы можем добавить резистор параллельно термистору NTC в нашем делителе напряжения. Это поможет линеаризовать часть делителя напряжения. Наличие линейного вывода для интересующего диапазона температур может быть полезным, если вы не можете запустить алгоритм на собранных данных для преобразования значения в точную температуру. Это также может быть полезно, если у вас нет средств для точного сбора необходимых данных для определения значений алгоритма.
Для линейного участка температурного диапазона потребуется показание напряжения, которое можно интерпретировать напрямую как дифференциальную температуру.
Для этой реализации я просто добавляю параллельный резистор, который линеаризует термистор около 25 °C. Ваша реализация должна соответствовать сопротивлению термистора NTC в центральной точке диапазона температур, который вы пытаетесь измерить.
Для этой реализации я поместил два резистора 10K 0603 вместе, так как не ожидаю заметной разницы в физическом расположении параллельного резистора по отношению к термистору. Если бы у нас были достаточно точные приборы, мы, вероятно, могли бы почувствовать некоторое тепло от параллельного резистора, нагревающего термистор, если бы они были близко друг к другу. Тем не менее, это было бы настолько ничтожно маленькое количество, что оно не имело бы никакого значения для любого реального приложения.
Реализация NTC: добавление повторителя напряжения
Для повышения стабильности схемы мы также можем использовать операционный усилитель в качестве повторителя напряжения.
Это также может дать нам дополнительную точность в зависимости от того, как реализован вывод, измеряющий напряжение. Микроконтроллер или выделенный АЦП будут иметь некоторое сопротивление на землю, которое обычно очень велико, но они все равно будут действовать как параллельный резистор для нашего делителя напряжения. Используя операционный усилитель с буфером/повторителем напряжения, мы можем изолировать вывод микроконтроллера от делителя напряжения.
Для этой схемы я использую относительно недорогой буферный усилитель. Инструментальный усилитель стоил бы примерно столько же. Стоит отметить, что некоторые из аналоговых и цифровых датчиков, которые мы рассмотрим позже, стоят меньше, чем просто буферный усилитель, и имеют большую точность и линейность, чем термисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом. Таким образом, хотя эта схема должна обеспечивать более точное считывание, она, вероятно, не будет иметь особого смысла в реальной реализации устройства, если только вы не считываете показания термистора с внешнего устройства/машины, где вы не можете заменить чувствительный элемент.
Вы также можете использовать для этого операционный усилитель общего назначения с меньшими затратами. Буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, поэтому не требуют подключения обратной связи и, что более важно, имеют исключительно высокий входной и выходной импеданс. Этот высокий импеданс по сравнению с обычным операционным усилителем обеспечивает большую точность при считывании показаний делителя напряжения, такого как этот. При этом такой буферный усилитель является огромным излишеством для термистора NTC, поскольку он более чем способен обрабатывать гигагерцовые сигналы.
Печатная плата повторителя напряжения выполнена в том же общем стиле, что и остальные, с буферным усилителем и резистором делителя на противоположной стороне терморазрыва. Опять же, я бы не ожидал, что будет какое-либо измеримое тепло от буферного усилителя, передаваемого на термистор, если они будут помещены вместе. Эта конструкция продолжает тему сохранения только чувствительного элемента внутри области теплового разрыва, поэтому все наши измерения будут согласованными и не будут искажены другими компонентами поблизости.