Este é o primeiro artigo de uma série de duas partes. Este artigo discutirá primeiro a história e os desafios de design detemperatura baseada em termistorsistemas de medição, bem como sua comparação com sistemas de medição de temperatura por termômetro de resistência (RTD). Também serão descritas a escolha do termistor, as compensações de configuração e a importância dos conversores analógico-digitais (ADCs) sigma-delta nesta área de aplicação. O segundo artigo detalhará como otimizar e avaliar o sistema de medição final baseado em termistor.
Conforme descrito na série de artigos anterior, "Otimizando Sistemas de Sensores de Temperatura RTD", um RTD é um resistor cuja resistência varia com a temperatura. Termistores funcionam de forma semelhante aos RTDs. Ao contrário dos RTDs, que possuem apenas um coeficiente de temperatura positivo, um termistor pode ter um coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) diminuem sua resistência à medida que a temperatura aumenta, enquanto termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentam sua resistência à medida que a temperatura aumenta. A figura 1 mostra as características de resposta de termistores NTC e PTC típicos e as compara com as curvas RTD.
Em termos de faixa de temperatura, a curva RTD é quase linear, e o sensor cobre uma faixa de temperatura muito mais ampla do que os termistores (tipicamente de -200 °C a +850 °C) devido à natureza não linear (exponencial) do termistor. Os RTDs geralmente são fornecidos em curvas padronizadas bem conhecidas, enquanto as curvas dos termistores variam de acordo com o fabricante. Discutiremos isso em detalhes na seção sobre guia de seleção de termistores deste artigo.
Termistores são feitos de materiais compósitos, geralmente cerâmicas, polímeros ou semicondutores (geralmente óxidos metálicos) e metais puros (platina, níquel ou cobre). Termistores podem detectar mudanças de temperatura mais rapidamente do que RTDs, fornecendo feedback mais rápido. Portanto, termistores são comumente usados por sensores em aplicações que exigem baixo custo, tamanho reduzido, resposta mais rápida, maior sensibilidade e faixa de temperatura limitada, como controle eletrônico, controle residencial e predial, laboratórios científicos ou compensação de junção fria para termopares em aplicações comerciais ou industriais. Aplicações.
Na maioria dos casos, termistores NTC são usados para medições precisas de temperatura, e não termistores PTC. Alguns termistores PTC estão disponíveis e podem ser usados em circuitos de proteção contra sobrecorrente ou como fusíveis rearmáveis para aplicações de segurança. A curva resistência-temperatura de um termistor PTC mostra uma região NTC muito pequena antes de atingir o ponto de comutação (ou ponto Curie), acima do qual a resistência aumenta acentuadamente em várias ordens de magnitude na faixa de vários graus Celsius. Em condições de sobrecorrente, o termistor PTC gerará forte autoaquecimento quando a temperatura de comutação for excedida, e sua resistência aumentará acentuadamente, o que reduzirá a corrente de entrada no sistema, evitando danos. O ponto de comutação dos termistores PTC é tipicamente entre 60 °C e 120 °C e não é adequado para controlar medições de temperatura em uma ampla gama de aplicações. Este artigo se concentra em termistores NTC, que normalmente podem medir ou monitorar temperaturas que variam de -80 °C a +150 °C. Os termistores NTC possuem classificações de resistência que variam de alguns ohms a 10 MΩ a 25 °C. Como mostrado na figura 1, a variação da resistência por grau Celsius para termistores é mais pronunciada do que para termômetros de resistência. Comparado aos termistores, a alta sensibilidade e o alto valor de resistência do termistor simplificam seu circuito de entrada, uma vez que os termistores não requerem nenhuma configuração de fiação especial, como 3 ou 4 fios, para compensar a resistência dos condutores. O projeto do termistor utiliza apenas uma configuração simples de 2 fios.
A medição de temperatura de alta precisão baseada em termistor requer processamento preciso de sinal, conversão analógico-digital, linearização e compensação, conforme mostrado na fig. 2.
Embora a cadeia de sinal possa parecer simples, existem diversas complexidades que afetam o tamanho, o custo e o desempenho de toda a placa-mãe. O portfólio de conversores analógico-digitais de precisão da ADI inclui diversas soluções integradas, como o AD7124-4/AD7124-8, que oferecem diversas vantagens para o projeto de sistemas térmicos, já que a maioria dos blocos de construção necessários para uma aplicação já estão integrados. No entanto, existem vários desafios no projeto e na otimização de soluções de medição de temperatura baseadas em termistores.
Este artigo discute cada um desses problemas e fornece recomendações para resolvê-los e simplificar ainda mais o processo de design desses sistemas.
Existe uma grande variedade deTermistores NTCno mercado hoje, então escolher o termistor certo para sua aplicação pode ser uma tarefa assustadora. Observe que os termistores são listados por seu valor nominal, que é sua resistência nominal a 25 °C. Portanto, um termistor de 10 kΩ tem uma resistência nominal de 10 kΩ a 25 °C. Os termistores têm valores de resistência nominal ou básica que variam de alguns ohms a 10 MΩ. Termistores com baixas classificações de resistência (resistência nominal de 10 kΩ ou menos) normalmente suportam faixas de temperatura mais baixas, como -50 °C a +70 °C. Termistores com classificações de resistência mais altas podem suportar temperaturas de até 300 °C.
O elemento termistor é feito de óxido metálico. Os termistores estão disponíveis em formatos de esfera, radial e SMD. As esferas do termistor são revestidas com epóxi ou encapsuladas em vidro para proteção adicional. Termistores de esfera, radiais e de superfície revestidos com epóxi são adequados para temperaturas de até 150 °C. Termistores de esfera de vidro são adequados para medir altas temperaturas. Todos os tipos de revestimentos/embalagens também protegem contra corrosão. Alguns termistores também terão invólucros adicionais para proteção adicional em ambientes severos. Os termistores de esfera têm um tempo de resposta mais rápido do que os termistores radiais/SMD. No entanto, eles não são tão duráveis. Portanto, o tipo de termistor usado depende da aplicação final e do ambiente em que o termistor está localizado. A estabilidade a longo prazo de um termistor depende de seu material, embalagem e design. Por exemplo, um termistor NTC revestido com epóxi pode mudar 0,2°C por ano, enquanto um termistor selado muda apenas 0,02°C por ano.
Os termistores apresentam diferentes precisões. Os termistores padrão normalmente têm uma precisão de 0,5 °C a 1,5 °C. A classificação de resistência do termistor e o valor beta (razão de 25 °C a 50 °C/85 °C) têm uma tolerância. Observe que o valor beta do termistor varia de acordo com o fabricante. Por exemplo, termistores NTC de 10 kΩ de diferentes fabricantes terão valores beta diferentes. Para sistemas mais precisos, termistores como a série Omega™ 44xxx podem ser usados. Eles têm uma precisão de 0,1 °C ou 0,2 °C em uma faixa de temperatura de 0 °C a 70 °C. Portanto, a faixa de temperaturas que podem ser medidas e a precisão necessária nessa faixa de temperatura determinam se os termistores são adequados para esta aplicação. Observe que quanto maior a precisão da série Omega 44xxx, maior o custo.
Para converter a resistência em graus Celsius, geralmente é utilizado o valor beta. O valor beta é determinado conhecendo-se os dois pontos de temperatura e a resistência correspondente em cada ponto de temperatura.
RT1 = Resistência à temperatura 1 RT2 = Resistência à temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
O usuário utiliza o valor beta mais próximo da faixa de temperatura utilizada no projeto. A maioria das folhas de dados de termistores lista um valor beta juntamente com uma tolerância de resistência a 25 °C e uma tolerância para o valor beta.
Termistores de maior precisão e soluções de terminação de alta precisão, como a série Omega 44xxx, utilizam a equação de Steinhart-Hart para converter a resistência em graus Celsius. A equação 2 requer as três constantes A, B e C, novamente fornecidas pelo fabricante do sensor. Como os coeficientes da equação são gerados usando três pontos de temperatura, a equação resultante minimiza o erro introduzido pela linearização (tipicamente 0,02 °C).
A, B e C são constantes derivadas de três pontos de ajuste de temperatura. R = resistência do termistor em ohms T = temperatura em K graus
A figura 3 mostra a excitação de corrente do sensor. A corrente de acionamento é aplicada ao termistor e a mesma corrente é aplicada ao resistor de precisão; um resistor de precisão é usado como referência para a medição. O valor do resistor de referência deve ser maior ou igual ao maior valor da resistência do termistor (dependendo da menor temperatura medida no sistema).
Ao selecionar a corrente de excitação, a resistência máxima do termistor deve ser novamente levada em consideração. Isso garante que a tensão entre o sensor e o resistor de referência esteja sempre em um nível aceitável para a eletrônica. A fonte de corrente de campo requer alguma margem de manobra ou casamento de saída. Se o termistor tiver uma alta resistência na menor temperatura mensurável, isso resultará em uma corrente de acionamento muito baixa. Portanto, a tensão gerada através do termistor em alta temperatura é pequena. Estágios de ganho programáveis podem ser usados para otimizar a medição desses sinais de baixo nível. No entanto, o ganho deve ser programado dinamicamente, pois o nível do sinal do termistor varia muito com a temperatura.
Outra opção é definir o ganho, mas usar a corrente de acionamento dinâmica. Portanto, conforme o nível do sinal do termistor muda, o valor da corrente de acionamento muda dinamicamente para que a tensão desenvolvida no termistor esteja dentro da faixa de entrada especificada do dispositivo eletrônico. O usuário deve garantir que a tensão desenvolvida no resistor de referência também esteja em um nível aceitável para a eletrônica. Ambas as opções exigem um alto nível de controle e monitoramento constante da tensão no termistor para que a eletrônica possa medir o sinal. Existe uma opção mais fácil? Considere a excitação por tensão.
Quando a tensão CC é aplicada ao termistor, a corrente através dele é automaticamente escalonada conforme a resistência do termistor muda. Agora, usando um resistor de medição de precisão em vez de um resistor de referência, sua finalidade é calcular a corrente que flui através do termistor, permitindo assim o cálculo da resistência do termistor. Como a tensão de acionamento também é usada como sinal de referência do ADC, nenhum estágio de ganho é necessário. O processador não tem a função de monitorar a tensão do termistor, determinar se o nível do sinal pode ser medido pela eletrônica e calcular qual valor de ganho/corrente de acionamento precisa ser ajustado. Este é o método utilizado neste artigo.
Se o termistor tiver uma resistência nominal e uma faixa de resistência pequenas, pode-se utilizar excitação por tensão ou corrente. Nesse caso, a corrente e o ganho do inversor podem ser fixos. Assim, o circuito ficará como mostrado na Figura 3. Esse método é conveniente, pois permite controlar a corrente através do sensor e do resistor de referência, o que é valioso em aplicações de baixa potência. Além disso, o autoaquecimento do termistor é minimizado.
A excitação por tensão também pode ser usada para termistores com baixas resistências nominais. No entanto, o usuário deve sempre garantir que a corrente através do sensor não seja muito alta para o sensor ou a aplicação.
A excitação por tensão simplifica a implementação ao utilizar um termistor com alta resistência nominal e ampla faixa de temperatura. Uma resistência nominal maior proporciona um nível aceitável de corrente nominal. No entanto, os projetistas precisam garantir que a corrente esteja em um nível aceitável em toda a faixa de temperatura suportada pela aplicação.
Os conversores A/D Sigma-Delta oferecem diversas vantagens ao projetar um sistema de medição por termistor. Primeiro, como o conversor A/D sigma-delta reamostra a entrada analógica, a filtragem externa é mínima e o único requisito é um filtro RC simples. Eles oferecem flexibilidade no tipo de filtro e na taxa de transmissão de saída. A filtragem digital integrada pode ser usada para suprimir qualquer interferência em dispositivos alimentados pela rede elétrica. Dispositivos de 24 bits, como o AD7124-4/AD7124-8, têm resolução total de até 21,7 bits, proporcionando alta resolução.
O uso de um ADC sigma-delta simplifica muito o projeto do termistor, ao mesmo tempo que reduz as especificações, o custo do sistema, o espaço da placa e o tempo de colocação no mercado.
Este artigo usa o AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque são ADCs de precisão, baixo ruído e baixa corrente, com PGA integrado, referência integrada, entrada analógica e buffer de referência.
Independentemente de você estar usando corrente ou tensão de acionamento, recomenda-se uma configuração raciométrica na qual a tensão de referência e a tensão do sensor provenham da mesma fonte de acionamento. Isso significa que qualquer alteração na fonte de excitação não afetará a precisão da medição.
Na fig. 5 mostra-se a corrente de acionamento constante para o termistor e o resistor de precisão RREF, a tensão desenvolvida através do RREF é a tensão de referência para medir o termistor.
A corrente de campo não precisa ser precisa e pode ser menos estável, pois quaisquer erros na corrente de campo serão eliminados nessa configuração. Geralmente, a excitação por corrente é preferível à excitação por tensão devido ao controle de sensibilidade superior e à melhor imunidade a ruídos quando o sensor está localizado em locais remotos. Esse tipo de método de polarização é normalmente usado para RTDs ou termistores com valores de resistência baixos. No entanto, para um termistor com um valor de resistência e sensibilidade mais altos, o nível de sinal gerado por cada mudança de temperatura será maior, portanto, a excitação por tensão é usada. Por exemplo, um termistor de 10 kΩ tem uma resistência de 10 kΩ a 25 °C. A -50 °C, a resistência do termistor NTC é de 441,117 kΩ. A corrente mínima de acionamento de 50 µA fornecida pelo AD7124-4/AD7124-8 gera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, o que é muito alto e está fora da faixa de operação da maioria dos ADCs disponíveis para esta área de aplicação. Termistores também costumam ser conectados ou localizados próximos aos componentes eletrônicos, portanto, imunidade à corrente de acionamento não é necessária.
Adicionar um resistor de detecção em série como um circuito divisor de tensão limitará a corrente através do termistor ao seu valor mínimo de resistência. Nessa configuração, o valor do resistor de detecção RSENSE deve ser igual ao valor da resistência do termistor a uma temperatura de referência de 25 °C, de modo que a tensão de saída será igual ao ponto médio da tensão de referência em sua temperatura nominal de 25 °C. Da mesma forma, se um termistor de 10 kΩ com uma resistência de 10 kΩ a 25 °C for usado, RSENSE deve ser de 10 kΩ. À medida que a temperatura muda, a resistência do termistor NTC também muda, e a razão da tensão de acionamento através do termistor também muda, resultando na tensão de saída sendo proporcional à resistência do termistor NTC.
Se a referência de tensão selecionada usada para alimentar o termistor e/ou RSENSE corresponder à tensão de referência do ADC usada para medição, o sistema será definido para medição raciométrica (Figura 7) para que qualquer fonte de tensão de erro relacionada à excitação seja polarizada para remoção.
Observe que o resistor de detecção (acionado por tensão) ou o resistor de referência (acionado por corrente) deve ter uma tolerância inicial baixa e baixo desvio, pois ambas as variáveis podem afetar a precisão de todo o sistema.
Ao utilizar múltiplos termistores, uma única tensão de excitação pode ser utilizada. No entanto, cada termistor deve ter seu próprio resistor de detecção de precisão, como mostrado na figura 8. Outra opção é usar um multiplexador externo ou uma chave de baixa resistência no estado ligado, o que permite o compartilhamento de um resistor de detecção de precisão. Com essa configuração, cada termistor precisa de um tempo de estabilização para ser medido.
Em resumo, ao projetar um sistema de medição de temperatura baseado em termistor, há muitas questões a serem consideradas: seleção do sensor, fiação do sensor, compensações na seleção de componentes, configuração do ADC e como essas diversas variáveis afetam a precisão geral do sistema. O próximo artigo desta série explica como otimizar o projeto do seu sistema e o orçamento geral de erros do sistema para atingir o desempenho desejado.
Data de publicação: 30 de setembro de 2022