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单电源温度传感电路中的热敏电阻

时间:2019-06-11   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
介绍
市场上有各种温度传感器所有这些都满足特定的应用需求。最多用于解决这些应用问题的常见传感器包括热电偶,电阻器温度检测器(RTD)热敏电阻和硅基传感器。
在设计中使用负温度系数(NTC)热敏电阻。热敏电阻具有非线性特性电阻转换温度。的程度这种非线性将在“硬件”中讨论线性化解决方案“本应用笔记的部分。
从该讨论中,将示出各种线性化电阻器网络,其中包括误差分析。最后,热敏电阻的信号调节路径系统将覆盖传感器或微处理器的完整应用电路。

热敏电阻概述
术语“热敏电阻”源于描述符热敏电阻。两种基本类型热敏电阻是负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)。 NTC热敏电阻最适合精度温度测量。 PTC最适合切换应用。本应用笔记仅供参考讨论NTC应用程序。
NTC热敏电阻用于三种不同的模式为各种应用提供服务的操作。一这些模式利用了热敏电阻的电阻 - 温度特性。另外两个模式利用电压 - 电流和热敏电阻的电流随时间变化特性

电压与电流模式
电压 - 电流应用使用一个或多个热敏电阻,在自加热状态下运行,稳态条件。 一个应用程序示例在这种操作状态下的NTC热敏电阻将被使用流量计。 在这种类型的电路中,热敏电阻会处于环境自热状态。
热敏电阻的电阻会因热量而改变由元素消耗的功率产生。 任何通过装置改变液体或气体的流量改变热敏电阻的功耗因数元件。 以这种方式,热敏电阻的电阻相对于由液体或气体流动提供的冷却程度而改变。
一个有用的热敏电阻这种现象的图表如图1所示小尺寸的热敏电阻允许以最小的干扰实现这种类型的应用系统。 真空压力计等应用风速计,液位控制,流体速度和气体在电压 - 电流模式下,热敏电阻使用检测。

图1:当热敏电阻过热时在自身电源下,器件以电压 - 电流模式工作。 在此模式下,热敏电阻最适合感知环境条件的变化,例如通过传感器的气流速度的变化。

电流随时间模式
热敏电阻的电流随时间变化特性还取决于热敏电阻封装的耗散常数以及元件的热容量。 如电流施加到热敏电阻,封装将开始自我加热。 如果电流是连续的,那么阻力热敏电阻将开始减少。
热敏电阻的电流 - 时间特性可用于减慢速度高压尖峰的影响,可能是a持续时间短。 以这种方式,从时间延迟热敏电阻用于防止继电器误触发。

热敏电阻电流随时间延迟的影响是
与二极管或基于硅的温度传感器相比,这种类型的时间响应相对较快。 二极管和硅基传感器需要几分钟才能达到稳态温度。 相比之下,热电偶和RTD是和热敏电阻一样快,但它们没有热敏电阻等效的高水平产出。
应用基于电流随时间变化特征包括时间延迟设备,顺序切换,浪涌抑制或in冲击电流限制。

图2:热质量的时间常数
热敏电阻传感器可用于延时a对电路中条件变化的反应。 如果一个热敏电阻过载,热质量时间常数传感器的最终导致热敏电阻过热,降低其阻力。电阻与温度模式到目前为止,使用第一模式,电阻 - 温度,NTC热敏电阻配置的应用是最普遍的。
这些电路执行精度温度测量,控制和补偿。与基于电压 - 电流和电流 - 时间特性的应用不同热敏电阻,电阻 - 温度电路取决于在a。中操作的热敏电阻“零功率”条件。 这种情况意味着由于电流或电压激励,热敏电阻没有自加热。 
10kΩ,NTC的电阻 - 温度响应热敏电阻如图3所示。热敏电阻两端的电阻相对较高与通常在的RTD元素相比数百欧姆的范围。 通常,25°C等级对于热敏电阻,从1kΩ到10MΩ。
住房热敏电阻随密封性和坚固性的要求而变化,但在所有情况下,只有两根电线到元素。 这个有可能由于布线在整个温度范围内的电阻远低于热敏电阻元件。因此,与RTD元件一样,不需要四线配置。 

图3:精密温度测量
环境,热敏电阻用于“零功率”条件。 在这种情况下,功耗热敏电阻对元件的影响可以忽略不计抵抗性。 这是NTC10kΩ热敏电阻的图表电阻与温度。
由于热敏电阻是电阻元件,因此需要电流激励。 电流可以来自电压或电流参考,如下所示“硬件线性化解决方案”部分应用笔记。 热敏电阻的性能只要功率,图3是相当可重复的整个设备不超过封装的功耗能力。
一旦这种情况发生如果违反,热敏电阻会自行加热和人为电阻降低,高于实际温度读数。
图3说明了高度的非线性热敏电阻元件。 虽然热敏电阻具有比热电偶线性度好得多的线性度,但是热敏电阻在大多数温度下仍需要线性化传感电路。 热敏电阻的非线性响应可以用软件在经验中进行校正三阶多项式或查找表。
还有简单的硬件线性化vr赛车即可在热敏电阻输出数字化之前应用。 这些vr赛车将在后面讨论应用笔记。 三阶多项式也是称为Steinhart-Hart热敏电阻方程。 这个方程是近似值,可以代替热敏电阻的指数表达式。 
广泛的行业认可使其成为最精确的方程式热敏电阻计算。Steinhart-Hart方程是:


哪里:
  T是开尔文热敏电阻的温度。A0,A1,A3,B0,B1和B3是由...提供的内容热敏电阻制造商。RT是温度下的热电偶电阻,T。使用典型的热敏电阻,这种三阶线性化公式在整个温度范围内提供±0.1°C的精度。
这通常比准确性好从零件到零件的各个元素。虽然热敏电阻的温度范围是a比二极管或硅基温度好一点传感器(-55°C至+ 175°C),仍然仅限于实用范围为-100°C至+ 175°C。
这也可以进行比较到RTD的温度感应范围(-200°C至600°C)或热电偶,其范围可达1820℃。

表1总结了热敏电阻的优点与缺点。
 优点  缺点
 快速  非线性
 小  需要激励
 两线  温度范围有限
 便宜  自热
   脆弱

热敏电阻由各种各样的供应商制造。 每个供应商都仔细指定其热敏电阻温度特性取决于它们制造过程。 在所有温度传感器中,热敏电阻是市场上最便宜的传感元件。
有些人的价格从0.10美元起供应商和最高25美元的范围。热敏电阻用于各种应用如汽车监控和控制废气排放,冰检测,皮肤传感器,血液和尿液分析仪,冰箱,冰柜,手机,基座站激光驱动器和电池组充电。
在里面精密仪器应用,热敏电阻用于手持式仪表和温度计。

温度 - 抗拒热敏电阻的模式热敏电阻的电气配置如下所示图4.这说明了一种看似明显的方法激励热敏电阻并测量用电流源激励传感元件的电阻变化。
 

图4:常识将决定热敏电阻由精密恒定电流激励来源如图所示。 NTC的图片热敏电阻显示在右侧。利用这种激发方式,电流源的幅度通常低于100μA,优选为20μA。较低的电流会阻止热敏电阻进入如前所述的自加热条件。
这个激发方式对于感测有限范围是有效的温度。更大的温度范围电阻中的增量太高而不能准确地将电阻转换为电压而不会碰到电阻模拟信号路径的噪声限制。
例如,典型的温度范围BetaTHERM的热敏电阻为-80°C至150°C。该改变是10kΩ@ 25°C热敏电阻的电阻BetaTHERM在其温度范围内显示在表2。
值得注意的是a的微分电阻高温下10°C的三角洲明显更小在低温下比10°C的三角洲。例如,表2中器件电阻的变化125°C至135°C为76.28Ω(340.82Ω - 264.54Ω)。
该改变同一热敏电阻的电阻-25°C至-15°C为58.148kΩ。这种比例的多样性在热敏电阻范围内的温度耐受性产生了一个尴尬的模拟问题。
如果本例中的热敏电阻用20μA电流激励源,模拟电路必须区分高温时为0.015V三角洲,高压时为1.16V三角洲低温,Δ10°C的分辨率。这种力量线性数字化系统中的LSB大小为1/20.015V。
这需要一个9.57位的系统才能实现系统在整个温度范围内的精度为10°C跨度为-25°C至135°C(160°C的增量)。

温度(°C) R值(W) 温度(°C) R值(W) 温度(°C) R值(W)
-80 7296874 0 32650.8 75 1480.12
-75 4713762 5 253985.5 80 1256.17
-70 3095611 10 19903.5 85 1070.58
-65 2064919 15 15714 90 916.11
-60 1397935 20 12493.7 95 786.99
-55 959789 25 10000 100 678.63
-50 667828 30 8056 105 587.31
-45 470609 35 6530.1 110 510.06
-40 335671 40 5324.9 115 44.48
-35 242195 45 4366.9 120 388.59
-30 176683 50 3601 125 340.82
-25 130243 55 2985.1 130 299.82
-20 96974 60 2487.1 135 264.54
-15 72895 65 2082.3 140 234.08
-10 55298 70 1751.6 145 207.7
-5 42314.6     150 184.79