NTC热敏电阻

通过基于热敏电阻的温度补偿实现更高的功效

发布时间:2018-11-15    文章来源:敏创原创    点击次数:
随着电子系统不断变得更加紧凑,温度在系统可靠性和功率效率方面发挥着越来越重要的作用。许多工程师已经熟悉温度如何影响可靠性; 如果系统变得太热,设备操作可能变得不可预测。使用像热敏电阻这样的简单温度传感器,主处理器可以监控温度并采取措施,例如在环境温度过高时打开风扇。
 
然而,热敏电阻是多功能传感器,不仅可以用于简单的监控。同样的热敏电阻可以直接与铜电磁铁和LCD等元件在线使用,其内部电阻随温度变化。热敏电阻的其他常见用途包括功率因数校正(PFC)和浪涌电流抑制。
 
考虑LCD操作。 当LCD冷时,它具有低电阻。 这导致通过LCD的低电流。结果是难以阅读的显示(字符太亮)并且需要很长时间来预热。类似地,当LCD很热时,它具有高电阻,导致更高的电流。结果是显示器不仅难以阅读(字符和背景太暗),而且消耗的功率超出了需要。对于螺线管,需要较小的电流来保持螺线管在较高温度下打开。 此外,通过螺线管运行超过必要的电流会增加螺线管的温度。  通过降低总电流消耗,可以最小化螺线管加热,从而需要较低频率的冷却和
 
可能是较便宜的冷却子系统。不经常运行风扇还可以减少机械部件的磨损,提高系统可靠性,并通过更安静地运行来改善用户体验。
 
本文将探讨如何使用热敏电阻在温度变化时保持电流消耗稳定。具体来说,它将概述如何为铜线圈电磁阀找到正确的温度补偿电路。这种经济有效的方法可以为通常在高温下运行的应用实现更好的功率效率,例如工业,电器,汽车和使用温度敏感元件的其他系统。它还通过在理想电流下操作温度敏感元件来改善用户体验(即无论温度如何,用户都可以清楚地看到LCD)。该方法易于实现,不涉及主机CPU,进一步提高了可靠性和功效。

基于热敏电阻的温度补偿
简单和低成本是热敏电阻的关键优势。甲负温度系数(NTC)热敏电阻,例如,提供了一种基于环境温度可变电阻。该电阻遵循在-40至+ 80℃的期望温度范围内的相对线性响应[工业用~120]。
在传统的监控系统中,这允许CPU执行简单的表查找以确定温度并将其与阈值进行比较以查看是否需要冷却。CPU还可以调节螺线管或LCD的电流,但这需要CPU周期以及额外的电路来将此功能扩展到CPU。
更简单的方法是将热敏电阻集成到独立的温度补偿电路中。热敏电阻与固定电阻串联。通过这种方式,热敏电阻的变化电阻可以自动调节流过螺线管,LCD或其他温度敏感元件的电流量,而无需CPU参与。
螺线管的铜线圈随温度升高呈现正温度系数。由于NTC热敏电阻通常具有-3.3%/℃至-4.9%°/℃的温度系数范围,因此使用温度系数为440ppm的固定并联电阻器将温度系数降低到可用的极限。例如,铜在-40℃至+ 80℃的温度范围内具有0.4%/℃的温度系数。线圈电阻变化为80±20欧姆(见表1),具有以下特性。此外,线圈承载0.85安培的电流,这也将通过热敏电阻导致自热:
 
方程(1)

哪里:
  • R是温度T下的导体电阻
  • R ref是参考温度T ref下的导体电阻(假设为20°C)
  • α是导体材料的电阻温度系数
  • T是导体材料的工作温度,单位为摄氏度
  • T ref是指定导体材料的α的参考温度,也表示中点温度
  • 在方程(1)中代入铜螺线管的温度系数α为每°C .4167%
  •  

使用表1中的值,考虑的参考值为:
 
T ref = 20°C且R ref =80Ω
考虑的系统具有与这对线圈串联的电阻。根据设计,该串联电阻的值应为97.15Ω,以使系统按预期工作(参见下面的图1)。请注意,总电阻为177.15Ω。
 

目的是找到一个温度补偿电路,它可以抵消螺线管的正温度效应和串联电阻。为了减小阻力波动,理想的范围是使曲线在其中心变平。
 
由于螺线管和LCD的响应性在所需温度范围内足够线性,因此可以使用标准线性化方程。该等式基本上是固定电阻器与 特定温度下的热敏电阻器的电阻之比(即,通常在最低和最高所需工作温度的中点)。此外,精度对于该电路并不重要。它只需要能够在电磁阀冷却时增加大约理想的电流量,并在热时适当降低电流。
 
考虑一个由热敏电阻组成的线性化电路(图2),其中:
 
  • R c是包括串联电阻的线圈电阻
  • R t是热敏电阻
  • R f是固定电阻


上述电路的总电阻为177.15 + K,其中


方程(2)

注意线圈(串联)电阻为177.15-K 
。用于使热敏电阻曲线变平的线性化方程如下:
 
固定电阻值R 电阻 = R f
热敏电阻电阻值R 热敏电阻 = R t
因此,线性化方程:
 
方程(3)

哪里:
β=材料常数=在我们的例子中= 3500°K(考虑曲线M,见图3)
 
T ref,中点温度计算如下:

 

使用下面给出的等式计算αtherm的值:
 
 
方程(4)

注意:
 

因为热敏电阻和固定电阻是并联电路。
 
代替α 铜 = 0.4167%每°C和α fixR α= 440个ppm的产量THERM = -3.9%每摄氏度
 

代替α 热产生β为3412°K
 
这与电阻温度曲线的Ametherm目录中的M材料非常接近。
 
因此,固定电阻的值计算如下:
 
替代eqn(3)
 

假设所需的最大偏差为1.0Ω,K =1.0Ω。在方程(2)中代替我们:


计算以下值:


要确定固定电阻在25°C时的值,请使用标准化表格中的材料“M”来确定使用的热敏电阻的正常室温电阻


因此:


两种极端温度条件下的K可以计算为:
 

其中21.39是从-40°C的热敏电阻的归一化表乘数到室温电阻


其中0.1645是从标准化表乘数到80°C时热敏电阻的室温电阻
 
所以,线圈(带串联)电阻在:
 

这表明子系统电阻在所需温度范围内在~178.1Ω±0.7Ω处有效恒定(即稳定)。SL15 60002热敏电阻是此应用的首选热敏电阻。 表3,表4和图4提供了该热敏电阻的技术和物理细节。

另一个考虑因素是热敏电阻的物理尺寸。对于像螺线管这样的较大部件,与螺线管相比,热敏电阻可能引入可忽略的热量。对于驱动高电流的较小温度敏感元件,热敏电阻的自加热可能通过实质上改变环境温度而引入误差。 为了减轻这种影响,可以使用更大的热敏电阻。热敏电阻的质量越大,自加热的影响就越小。对于示例应用,螺线管很小,因此热敏电阻对环境温度的影响更大。在5mm热敏电阻上选择15mm可以充分改善补偿电路的性能。
 
对于已经使用热敏电阻监控温度的应用,可以实现具有低增量成本的温度补偿电路。在任何情况下,热敏电阻都是低成本的元件。 例如,NTC热敏电阻在1K体积中的成本不到40美分,而在高音量下则为10美分左右。鉴于可靠性和功率效率的提高,对于许多在高温下运行的应用来说,这是一个合理的权衡
 















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