Введение в температурные датчики: термисторы, термопары, RTD и микросхемы термометров

Наряду с автоматами защиты двигателей, тепловыми реле, в современных двигателях для защиты от перегрева применяются температурные датчики на основе термисторов и позисторов.

В отличии от традиционных способов, например тех же тепловых реле, где защита асинхронных двигателей от перегрузки осуществляется на основе теплового воздействия тока, нагревающего биметаллическую пластину реле, термисторная защита реагирует непосредственно на температуру обмоток двигателя.

Защита при помощи тепловых реле, автоматов защиты двигателей, является косвенной тепловой защитой, так как не взаимодействует непосредственно с обмотками двигателя. То есть она реагирует не на фактическую температуру нагрева обмоток статора, а на количество выделенного тепла без учета времени работы в зоне перегрузок и реальных условий охлаждения двигателя.

В определенных случаях такая защита может быть не достаточно эффективна, так как не позволяет определить с достаточной точностью действительную температуру нагрева электродвигателя. Это относится, в частности, к электродвигателям с продолжительным периодом запуска, частыми включениями-выключениями и т.д.

В случае защиты на основе PTC-датчиков, контроль за степенью нагрева обмоток статора осуществляется напрямую, так как датчики встроены в обмотки, то есть имеют с ней непосредственный контакт.

Благодаря этому обеспечивается защита двигателя от перегрузки, асимметрии и обрыва фаз, недостаточного охлаждения, так как все эти причины так или иначе приводят к нагреву обмоток, а следовательно к срабатыванию датчиков.

Также важной особенностью такого типа защиты является то, что срабатывание зависит только от температуры двигателя и не зависит от нагрузки на сам двигатель.

Термисторные датчики не защищают электродвигатель в случае короткого замыкания, а также пробоя изоляции.

Температурные датчики

Температурные датчики относятся к числу наиболее часто используемых датчиков. Температурные датчики используются всеми типами оборудования, начиная от компьютеров, автомобилей, кухонной техники, кондиционеров и (конечно) домашних термостатов. Пять наиболее распространенных типов температурных датчиков включают в себя:

• термисторы;
• термопары;
• RTD (резистивные датчики температуры);
• цифровые микросхемы термометров;
• аналоговые микросхемы термометров.

Данная статья предоставит вам краткое введение по каждому из перечисленных типов датчиков.

Технические параметры

Большое разнообразие моделей термосопротивлений продиктовано потребностями современной электронной промышленности. Технические параметры изделий полупроводникового типа позволяют полностью удовлетворить спрос производителей радиоэлектронных и электротехнических устройств.

К основным параметрам относятся:

Полупроводниковые термисторы обладают высокой чувствительностью в сочетании с отрицательными значениями ТКС. Они просты в изготовлении, имеют крохотные размеры, легко встраиваются в микросхемы. Все эти свойства делают термисторы незаменимыми в микроэлектронике.

Полупроводниковые термисторы подключаются через мостовую схему. Такое подключение позволяет в автоматическом режиме регулировать требуемые параметры электрических цепей. Иногда для этих целей приходится применять довольно сложные схемы автоматики.

Параметры металлических терморезисторов больше подходят для электротехнических устройств, в частности, они используются в качестве датчиков температуры. Их можно увидеть в водонагревательных установках, или в термометрах сопротивления. Такие типы датчиков (рис. 7) очень надежны в работе, имеют довольно широкий диапазон измерения.

Рис. 7. Датчик температуры

Датчики этого типа подключаются по простой схеме. Если требуется провести калибровку или выставить температуру, это обычно делается вручную, с помощью потенциометра. Простая схема подключения датчика температуры показана на рис. 8. Изменяя потенциометром напряжение можно влиять на величину ТКС. Визуально контролировать температуру можно с помощью амперметра, шкала которого проградуирована в градусах.

Рис. 8. Простая схема подключения терморезистора

Термистор

Как следует из названия, термистор (т.е., терморезистор) представляет собой датчик температуры, сопротивление которого зависит от температуры.

Термисторы выпускаются двух типов: PTC (с положительным температурным коэффициентом) и NTC (с отрицательным температурным коэффициентом). Сопротивление PTC термистора с ростом температуры увеличивается. А сопротивление NTC термистора, наоборот, с увеличением температуры уменьшается, и этот тип, по-видимому, является наиболее часто используемым типом термисторов. Смотрите рисунок 1 ниже.

Рисунок 1 – Условные графические обозначения термисторов PTC и NTC

Важно понимать, что связь между сопротивлением термистора и его температурой очень нелинейна. Смотрите рисунок 2 ниже.

Рисунок 2 – Зависимость сопротивления NTC термистора от температуры

Стандартная формула сопротивления NTC термистора в зависимости от температуры определяется следующим образом:

\[R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\right]\right\}}\]

где

• R25C – номинальное сопротивление термистора при комнатной температуре (25°C). Данное значение, как правило, приводится в техническом описании;
• β (бета) – постоянная материала термистора в Кельвинах. Это значение обычно указывается в техническом описании;
• T – реальная температура термистора в Цельсиях.

Тем не менее, существует два простых метода, используемых для линеаризации поведения термистора, а именно режим сопротивления и режим напряжения.

Режим линеаризации сопротивления

В режиме линеаризации сопротивления параллельно термистору помещается обычный резистор. Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 3 ниже.

Рисунок 3 – Режим линеаризации сопротивления

Режим линеаризации напряжения

В режиме линеаризации напряжения термистор ставится последовательно с обычным резистором, образуя при этом делитель напряжения. Этот делитель напряжения должен быть подключен к известному, фиксированному, стабилизированному источнику опорного напряжения VREF.

Эта конфигурация приводите к созданию выходного напряжения, которое относительно линейно зависит от температуры. И, как и в режиме линеаризации температуры, если сопротивление резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, то область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 4 ниже.

Рисунок 4 – Режим линеаризации напряжения

Конструкция

Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых выводов. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (Схема строения показана на рисунке 2).

В качестве термочувствительного материала используют оксиды металлов. Для защиты конструкции используют стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

Рис. 2. Конструкция простого термистора

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используют медь или платину. Эти материалы обладают высокими показателями ТКС металлов в рабочем диапазоне температур. Однако их применение ограничено по причине дороговизны платины и ее нелинейности преобразования.

Использование медных терморезисторов ограничивается низкой коррозионной сопротивляемостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Применяются для температур не выше 180 ºC.

Еще одним недостатком металлических термосопротивлений является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции мало пригодны для поддержания теплового режима электроприборов, но они идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.

С целью уменьшения тепловой инерционности терморезисторы изготавливают из микропроводов, которые заключают в стеклянную колбочку (см. рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, отличаются стабильностью, а их инерционность не превышает долей секунд.

Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе

Широкое распространение получили типы датчиков на базе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников происходит насыщение этих материалов электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.

Существуют конструкции плоских терморезисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.

Термопара

Термопары обычно используются для измерения более высоких температур и более широких температурных диапазонов.

Чтобы резюмировать, как работают термопары: любой проводник, подвергнутый температурному градиенту, будет генерировать небольшое напряжение. Это явление известно как эффект Зеебека. Величина генерируемого напряжения зависит от типа металла. Практические применения эффекта Зеебека используют два разнородных металла, которые соединены на одном конце и разделены на другом. Температуру соединения можно определить по напряжению на разомкнутых концах проводов.

Существуют различные типы термопар. Определенные комбинации стали популярными, и выбор комбинации зависит от различных факторов, включающих в себя стоимость, доступность, химические свойства и стабильность. Для разных применений лучше всего подходят разные типы, и их обычно выбирают на основе требуемого диапазона температур и чувствительности.

Графики характеристик термопар смотрите на рисунке 5 ниже.

Рисунок 5 – Характеристики термопар

Позисторы (PTC резисторы) как вид терморезисторов

Для электроники температура является одним из факторов, требующих постоянного контроля, так как ненормальный нагрев свидетельствует об изменении параметров тока, о небезопасных явлениях (перегрев вплоть до выгорания).

На платах приборов самыми элементарными стандартными элементами, радиодеталями, которые измеряют t°, контролируя ее значения и предохраняя схему, являются терморезисторы. Детали реагируют особым образом: их сопротивление (R) при различной температуре меняется, соответственно, происходит пропускание или непропускание токов определенной мощности, так реализуется защита микросхемы, устройств.

Термические резисторы (ТР) — это полупроводниковые электронные детали из сплавов с высоким термокоэффициентом трансформации.

Резистивные датчики температуры (RTD)

Резистивные датчики температуры, также известные как резистивные термометры, являются, пожалуй, самыми простыми для понимания датчиками температуры. RTD похожи на термисторы, поскольку их сопротивление изменяется с изменением температуры. Однако вместо использования специального материала, чувствительного к изменениям температуры (как в термисторах), RTD используют катушку из проволоки, накрученную вокруг сердечника из керамики или стекла.

Провод в RTD выполнен из чистого материала, как правило, из платины, никеля или меди, и этот материал обладает точной зависимостью сопротивления от температуры, которая используется для определения измеряемой температуры.

Применение

В основном терморезисторы используют для защиты оборудования и различных устройств от перегрева и от возможных перегрузок. Реже зависимостью сопротивления стабилизируют работу нагревательного элемента.

Примеры использования:

В большинстве схем используется способность термисторов преобразовывать внутреннюю энергию в электрический сигнал, который считывается автоматикой.

В нагревательных приборах терморезистор довольно часто используется в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Его сопротивление возрастает при достижении критической температуры и в результате этого электрическая цепь размыкается.

После остывания прибор восстанавливает работоспособность. Сферы применения можно перечислять очень долго, но и эти примеры показывают, насколько востребованными оказались термисторы и термисторы.

Аналоговые микросхемы термометров

Вместо использования термистора с постоянным резистором в делителе напряжения, альтернативным решением может стать аналоговый низкотемпературный датчик, такой как TMP36 от Analog Devices. В отличие от термистора, эта аналоговая микросхема обеспечивает выходное напряжение, которое почти линейно; наклон составляет 10 мВ/°C в температурном диапазоне от -40 до +125°C, а его точность равна ±2°C. Смотрите рисунок 6 ниже.

Рисунок 6 – График зависимости выходного напряжения TMP36 от температуры из технического описания

Хотя эти устройства и крайне просты в использовании, но они значительно дороже комбинации термистор-плюс-резистор.

Позисторы (PTC резисторы) как вид терморезисторов

Для электроники температура является одним из факторов, требующих постоянного контроля, так как ненормальный нагрев свидетельствует об изменении параметров тока, о небезопасных явлениях (перегрев вплоть до выгорания).

На платах приборов самыми элементарными стандартными элементами, радиодеталями, которые измеряют t°, контролируя ее значения и предохраняя схему, являются терморезисторы. Детали реагируют особым образом: их сопротивление (R) при различной температуре меняется, соответственно, происходит пропускание или непропускание токов определенной мощности, так реализуется защита микросхемы, устройств.

Термические резисторы (ТР) — это полупроводниковые электронные детали из сплавов с высоким термокоэффициентом трансформации.

Цифровые микросхемы термометров

Цифровые температурные датчики сложнее, но они могут быть очень точными. Кроме того, они могут упростить всю разработку, поскольку аналого-цифровое преобразование происходит внутри микросхемы термометра, а не в отдельном устройстве, таком как микроконтроллер. Например, DS18B20 от Maxim Integrated имеет точность ±0.5°C и диапазон температур от -55°C до +125°C.

Кроме того, некоторые цифровые микросхемы могут быть настроены на питание от линии данных, что позволяет подключать их только двумя проводами (то есть, данные/питание и земля). Более подробно об «однопроводном» интерфейсе можно почитать здесь.

Рисунок 7 – Структурная схема DS18B20 из технического описания

Как подключить, схемы

Рассмотрим основные схемы подключения PTC резистора в зависимости, для каких целей он применяется. Чаще элементы подключаются последовательно, но также иногда могут включаться и параллельно, например, к пусковому реле.

Схема для тепловых пожарных извещателей:

PTC как плавкий предохранитель:

Примеры других схем для позисторов:

Как сенсор температуры, термокомпенсации

Ниже принципиалка температурной компенсации: при смещении транзистора используется R позистора. При перегреве первого, на втором также повышается t°, и когда значение преодолеет точку Кюри ТР перейдет на режим мощного сопротивления, цепь сместится, транзистор отключится.

Если PTC в роли детектора перегрева, когда затребована температурная компенсация, прибор не меняет сопротивление на входе наподобие термистора NTC, учитывая последовательное подсоединение на входную цепь. Это отлично подходит для вариантов последней, требующих описанного нюанса: для импульсных линий, региональных усилителей, измерительных устройств.

Несколько позисторов в схеме

Два и больше PTC могут обслуживать несколько активных сегментов работы с компаратором. Ниже — схема последовательно включения увеличенного числа ТР: при обнаружении одним хотя бы перегрева микросхемой компаратором демонстрируется резкое значение температурного сопротивления. Такая схема позволит легко менять количество PTC или замерять t° на целой базовой схеме.

Защита перегрева двигателя

PTC применяют для мониторинга перегрева электромоторов, трансформаторных обмоток, подшипниковых конструкций, силовых транзисторов. Ниже пример PTC, определяющего чрезмерный нагрев мотора, что тянет за собой сработку реле на его отключение.

Непосредственно позистором может осуществляться блокировка цепей с малыми регулярными токами, если же они большие и постоянные в линию включают реле, тиристор.

Компонент контроля

PTC, как электронная составляющая текущего контроля, показан на простейшем решении ниже:

При превышении заданной температуры загорается диод. Если нарушено предельное значение тока, терморезистор среагирует и моментально реализует защиту.

Опцию задержки можно воплотить посредством динамических свойств ТР, есть два метода: подсоединение параллельно или последовательно с реле. Позволительно также контролировать пусковые токи позистором, например, на импульсных источниках питания, которые, как правило, имеют значительную эту величину при первом старте.

PTC можно применить вместо NTC или простого резистора как ограничитель пусковых токов. Деталь нагревается токовыми перегрузками при отказе реле или тиристора и происходит его сработка при высоком сопротивлении, течение тока блокируется моментально.

Помимо указанного, практично использовать PTC для схемы старта моторов как бесконтактный стартер, например, для компрессора холодильников, кондиционеров и подобного.

На Arduino

Программируемая база в виде контроллера Arduino применяется для различных самоделок, мини-роботов.

В данном случае необходимо подсоединить PTC к указанной платформе для считывания показателей, туда также будет включен ЖК дисплей, показывающий их.

Описание примера (при номинале терморезистора, когда на нем в горячем состоянии 10 кОм):

• есть керамическая нагревательная часть паяльника с низкоомным PTC, как его подключить к Ардуино;
• решение такое. Порядок цепи: «земля — PTC — резистор где-то на 10 кОм — +5V (плюсовой контакт). То есть от соединения PTC с резистором тянете жилу к входу Ардуино. Если последний аналоговый, то при холодном PTC там около 0, при горячем 500 Ом, если цифровой, то LOW и HIGH. Если надо настроить, когда именно вкл. HIGH, экспериментируют с резистором — чем выше его номинал, тем позже (при более нагретом ТР) это значение включается.

Ниже то же самое немного иными словами. Для элементарной сборки возьмем монтажную плату, 3 проводка, PTC, резистор (это основное сопротивление схемы) на 10 кОм. Вывод последнего подключается к той ножке PTC, к которой идет также жила, подключаемая на, в нашем случае, аналоговый пин A0 Ардуино. То есть один контакт PTC — к 5V, а второй, соединенный с ножкой резистора 10 кОм, — к А0. Оставшаяся ножка последнего — к пину «земли». На схеме ниже порядок виден четко.

Более детально ознакомиться с работой с различными компонентами можно на каком-нибудь симуляторе в сети.

Сравнение типов температурных датчиков

В приведенной ниже таблице показано сравнение разных типов температурных датчиков, описанных в данной статье. Однако имейте в виду, что эту информацию следует воспринимать как обобщение. Таблица предназначена в первую очередь для тех, у кого нет большого опыта и/или знаний о датчиках температуры.
Таблица 1. Краткое сравнение температурных датчиков

Оригинал статьи:

• Nick Davis. Introduction to Temperature Sensors: Thermistors, Thermocouples, RTDs, and Thermometer ICs

Как работает PTC с физико-химической точки зрения

Терморезистор типа PTC повышает свое сопротивление (на схемах обозначается R, в Омах), при увеличении t°; у термистора NTC алгоритм тот же, но наоборот: при росте первой, вторая величина падает.

Главная особенность терморезистора — максимальная чувствительность R материала к изменениям t°. Если нагрева нет, то атомы расположены ровно, выстроенные длинными линиями. При росте тепла число транспортировщиков заряда становится большим, и чем больше, тем лучше проводимость.

Кривая t°/R нелинейная, наиболее ярко свойства проявляются при −90…+130° C.

Свойства ТР создаются путем сравнения режима t° с характеристиками используемых в детали сплавов, являющихся полупроводниками. Применяют составы чрезвычайно чувствительные к температуре.

При прохождении тока появляется электрополе, подталкивающее электроны, ударяющиеся об атомы, так они затормаживаются. При высоких температурах движение атомов интенсивнее, исходная частичка быстрее взаимодействует, создавая дополнительное сопротивление. После охлаждения валентные уровни электронов станут низкими, перейдут в спокойное состояние, частички будут меньше перемещаться, перестанут повышать число Ом.

Условно-графическое обозначение

На схемах УГО термистора могут незначительно отличаться, но главный признак термосопротивления – символ t рядом с прямоугольником, символизирующим резистор. Без этого символа не определить, от чего зависит сопротивление – схожее УГО имеют, например, варисторы (сопротивление определяется приложенным напряжением) и другие элементы.

Иногда на УГО наносят дополнительное обозначение, определяющее категорию терморезистора:

• NTC для элементов с отрицательным ТКС;
• PTC для позисторов.

Эту характеристику иногда обозначают стрелками:

• однонаправленными для PTC;
• разнонаправленными для NTC.

Литерное обозначение может быть различным – R, RK, TH и т.п.