CE ESTE TERMISTORUL ?

CE ESTE TERMISTORUL ?

Denumirea de 'termistor' este o combinare a cuvintelor englezesti 'thermally sensitive resistor' (rezistenta sensibila termic). Aceasta denumire descrie cu exactitate functia de baza a dispozitivului si anume aceea de-a avea o schimbare de rezistenta electrica predictibila in functie de orice schimbare a temperaturii sale absolute.

Termistorul NTC (Negative Temperature Coefficient, coeficient negativ de temperatura) este un dispozitiv semiconductor cu doua terminale relativ simplu, realizat din amestecuri sinterizate din oxizi ai metalelor de tranzitie ca manganul, cobaltul, nichelul, fierul, cuprul. Spre deosebire de metale la care rezistenta electrica creste cu temperatura, la termistori rezistenta scade cu cresterea temperaturii lor:

R(T) = A e^B/T ,

unde:

• A = constanta ce depinde de geometria dispozitivului;
• T = temperatura in grade Kelvin;
• R = rezistenta la temperatura T;
• B = constanta ce depinde de materialul semiconductor masurata in K, B=D E/2k_B cu D E banda interzisa a semiconductorului si se determina din valoarile rezistentei la doua temperaturi:

B = [T₁T₂ T₂ - T₁)] ln (R₁ /R₂)

Rezistenta R a unui termistor la o temperatura absoluta oarecare T, este data in functie de rezistenta R₀ la o temperatura absoluta initiala T₀ de relatia:

ln(R/R_O) = B (1/T - 1/T_O)

Parametrii utilizati pentru a descrie caracteristicile oricarui termistor sunt:

• rezistenta electrica nominala la 25 ^oC;
• raportul rezistentelor pentru doua temperaturi date (25 ^oC si 85 ^oC);
• coeficientul de temperatura al rezistentei (a = (1/R) dR/dT = - B/T²) exprimat in %/^oC;
• puterea disipata maxima;
• factorul (coeficientul) de disipare;
• constanta de timp termica;
• domeniul de temperatura, T_min si T_max .

Schimbarea temperaturii termistorilor poate fi clasificata in functie de tipul incalzirii:

• externa cauzata de temperatura ambianta
• interna ca rezultat al puterii dezvoltate de trecerea curentului prin dispozitiv (auto-incalzire)
• combinata (externa + interna).

Daca un termistor este parcurs de un curent electric temperatura sa se creste pana cand caldura degajata prin efectul Joule este echilibrata de schimbul termic cu mediul ambiant. Autoincalzirea este determinata de forma sa geometrica, de montura aleasa, de dimensiunea si materialul terminalelor si de oricare alt factor ce poate contribui la disiparea caldurii. Daca P=RI² = U²/R este puterea ce trebuie disipata si D T=T-T₀ este cresterea temperaturii termistorului, coeficientul de disipatie termica C este:

C = P/D T [W/ ^oC, util mW/ ^oC]

si masoara puterea electrica necesara pentru mentinerea termistorului cu 1^oC deasupra temperaturii ambiante. Tensiunea pe termistor, in modul autoincalzit, are un maxim:

U_max = [C (T_max - T₀) A e^B/Tmax ]^1/2 ,

corespunzator temperaturii T_max = (B/2) [1- (1- 4 T₀ /B)^1/2 ]

Constanta de timp termica 't ' reprezinta timpul necesar termistorului sa reduca cu 63,2 % diferenta initiala de temperatura dintre termistor si mediul inconjurator. Ea se calculeaza dupa relatia :

t = H/C

unde    H = capacitatea termica a termistorului (J/^oC);
            C = coeficientul de disipare (W/ ^oC).

Masurarea lui 't ' se face punand termistorul intr-un mediu cu temperatura cunoscuta T₀ , fara curenti de aer, aplicandu-i putere electrica pentru cresterea temperaturii lui la o valoare data T_final , intrerupand alimentarea electrica si masurand timpul necesar termistorului sa ajunga la temperatura T₀ + 63,2 % (T_final - T₀).

Metoda autoincalzirii defineste timpul necesar termistorului sa revina la temperatura mediului si da o informatie importanta legata de capacitatea senzorului de a-si modifica rezistenta electrica sub influenta unei schimbari bruste (treapta) de temperarura. In aplicatiile cu termistori autoincalziti este mai importanta capacitatea termica 'H' a acestuia decat constanta de timp.
 

Tehnici de masurare cu senzori neliniari
de Bonnie C. Baker, Microchip Technology, Inc.

Un senzor cu iesire neliniara nu este dificil de utilizat, daca este necesara acoperirea doar a unei mici parti din domeniul de iesire. In aceste cazuri, este posibila implementarea pe un microcontroler sau microprocesor a unor algoritmi simpli de liniarizare pe portiuni. Daca este necesara o zona mai larga a domeniului de iesire, pot fi utilizate circuite analogice de liniarizare. De exemplu, o rezistenta in serie sau paralel cu un termistor (neliniar) va conduce la liniarizarea unei portiuni din iesire. Cu un termistor, portiunea liniarizata este uzual de 25OC (precizie 10-biti) in jurul unui punct central proiectat in circuit. Acest punct al raspunsului termistorului, poate fi reglat prin schimbarea valorii rezistentei adaugate. Aceste tehnici de circuit pot ajuta proiectantii sa utilizeze un domeniu mai larg (dar nu complet) din iesirea senzorului.
Tehnicile hardware, printre care si cele de mai sus, sunt suficiente pentru numeroase aplicatii, dar daca cerintele de proiectare impun utilizarea unei zone mai largi din domeniul de iesire, se pot obtine rezultate foarte bune prin utilizarea de tehnici de programare cu microcontroler si PGA (programmable gain amplifier).
Termenul "termistor" provine din combinatia cuvintelor TERMic RezISTOR. Exista doua tipuri: coeficient negativ de temperatura (NTC) si coeficient pozitiv de temperatura (PTC). Tipurile NTC sunt cele mai potrivite pentru masurari precise de temperatura, in timp ce componentele PTC sunt utilizate in aplicatii de comutatie. Articolul de fata va aborda o aplicatie NTC.
Termistorii NTC sunt utilizati in trei moduri diferite, care apeleaza caracteristicile rezistenta-temperatura, tensiune-curent, sau curent/timp ale dispozitivului. Majoritatea aplicatiilor utilizeaza primul dintre moduri. Spre deosebire de celelalte doua moduri, aceste circuite rezistenta-temperatura depind de o conditie de operare de "putere-zero". Aceasta implica existenta unei autoincalziri minime a termistorului. Figura 1 prezinta raspunsul rezistenta-temperatura al unui termistor NTC de 10kW. Uzual 25C pentru un termistor individual este in plaja de la 1kW pana la 10MW.
Un termistor este un element rezistiv, astfel incat este necesar un curent de excitatie, fie de la o tensiune de referinta, fie de la un curent de referinta. Performantele termistorului din Figura 1 sunt repetabile atata vreme cat puterea prin dispozitiv este pastrata sub capacitatea de disipare de putere a capsulei. Daca regula este incalcata, termistorul se va autoincalzi, scazand artificial valoarea rezistentei, oferind valori eronate ale temperaturii. Figura prezinta inaltul grad de neliniaritate al termistorului, care poate fi corectat prin utilizarea unui tabel de cautare gestionat de un microcontroler. Acest lucru va necesita un convertor de inalta rezolutie. Alternativ, pot fi aplicate tehnici de liniarizare hardware inaintea digitizarii.
O tehnica foarte simpla, dar eficienta de liniarizare este utilizarea unei rezistente in serie cu termistorul si sursa de tensiune, dupa cum se poate observa in Figura 2. Circuitul prezinta o cale directa de a excita termistorul cu o sursa de curent si de a masura variatia rezistentei.
Aceasta metoda de excitare asigura o valoare a curentului pe termistor suficient de joasa pentru a preveni depasirea constantei de disipare pe termistor si afectarea preciziei sistemului. Daca PGA este reglat la o amplificare de +1V/V sau este inlocuit de un amplificator buffer, acest circuit poate fi utilizat pentru a detecta un domeniu limitat de temperatura (aproximativ 25OC). Domeniul nu este restrictionat de amplificator, ci de liniaritatea divizorului de tensiune format de combinatia dintre termistor si RA. Masurarea de temperatura pe domenii mai mari impune diferente de tensiune prea mici pentru convertirea digitala precisa, ducand la necesitatea utilizarii unor convertoare A/D de mai mare rezolutie.
Ca exemplu, domeniul de temperatura al unui termistor tipic de la BCcomponents este de la -40C la +125C. In Figura 3 se poate observa ca diferenta de rezistenta pentru o variatie de temperatura de 10C la o temperatura inalta este semnificativ mai mare decat pentru o variatie de 10C la o temperatura joasa. Aceasta variatie in raportul rezistenta-temperatura pe domeniul de lucru al termistorului creeaza o problema analogica dificila.
Este clar ca, in acest exemplu, conversia A/D pe 10 biti este ineficienta pe domeniul complet de temperatura.
Se poate creste rezolutia convertorului A/D sau se pot comuta cateva rezistente (RA) in circuit, dar ambele optiuni adauga costuri si complexitate. O a treia optiune este pastrarea componentelor asa cum sunt prezentate in Figura 2 si utilizarea programabilitatii castigului in PGA.
O atenta observare a raspunsului termic din Figura 3, arata ca granularitatea se pierde la temperaturi mari. Daca castigul PGA este crescut la temperaturi mari, semnalul de iesire din PGA va fi readus in domeniul in care convertorul A/D poate identifica cu siguranta temperatura.
Aceasta abordare utilizeaza schimbari la nivel de cod al microcontrolerului, si nu la nivel hardware. Astfel reglajele din circuit implica numai timpul de programare. Figura 5 prezinta schema logica a algoritmului microcontrolerului. Firmware-ul PIC16F684 realizeaza esantionare in timp real. Firmware-ul citeste valoarea data de convertorul A/D si o trece catre rutina de histerezis a PGA, care verifica parametrii castigului PGA. Bazat pe acesta din urma, microcontrolerul testeaza punctele de trecere (vedeti Figura 4) cu ajutorul valorii convertorului A/D. Daca aceasta valoare este sub valoarea unui punct de trecere, microcontrolerul regleaza castigul PGA la urmatoarea valoare mai mare sau mai mica. Apoi firmware-ul verifica daca a fost modificat castigul PGA. Daca nu s-a produs nici o modificare, programul continua. Daca a aparut o modificare, firmware-ul reciteste valoarea convertorului A/D
Cand sunt cunoscute castigul PGA si valorile convertorului A/D, ambele sunt trecute rutinei de interpolare liniara pe portiuni (PwLI). Microcontrolerul stabileste legatura cu tabelul de cautare potrivit pentru castigul PGA. Rutina PwLI converteste valoarea convertorului A/D pe 10-biti intr-o valoare fixa pe 16-biti reprezentand grade Celsius. Formatul cu punct zecimal permite raportarea valorii temperaturii in zecimi de grad. Figura 6 prezinta precizia acestui sistem.
Realizand interpolarea liniara pe portiuni in zecimi de grad se ofera o mai buna rezolutie. In cadrul designului final, proiectantul poate alege raportarea in zecimi de grad sau valori intregi. Obtinerea de date sigure de la senzori neliniari a fost intotdeauna o provocare pentru inginerii proiectanti. Liniarizarea poate fi o sarcina relativ simpla daca nu este necesara pe intreg domeniul de lucru al senzorului. Combinatia dintre un microcontroler si un PGA poate gestiona neliniaritatea termistorului pe o gama larga de temperatura. Aceasta tehnica opereaza bine cu termistori, dar poate fi utilizata cu oricare alti senzori cu comportare neliniara.
Bibliografie
"Thermistor temperature sensing with MCP6SX2 PGAs", Blake, Bible, AN897, Microchip Technology Inc., DS00897, 2004
"2322 640 5 : NTC thermistors, accuracy line," Product Data Sheet, BC Components, September 27, 2001 (www.bccomponents.com)
"Introduction to NTCs: NTC thermistors," Data Sheet, BC Components, March 27, 2001 (www.bccomponents.com)
"Thermistors in single-supply temperature sensing circuits," Bonnie C. Baker, AN685, Microchip Technology Inc., DS00685, 1999
"Temperature sensing with a programmable gain amplifier," Bonnie C. Baker, AN867, Microchip Technology Inc., DS00867, 2003
"Piecewise linear interpolation on PIC12/14/16 Series microcontrollers,"John Day and Steven Bible, AN942, Microchip Technology Inc., 2004.