NTC热敏电阻

NTC热敏电阻模型

发布时间:2019-01-18    文章来源:敏创原创    点击次数:
电路
在温度传感的众多选择中 - 热电偶,RTD,热敏电阻 - 热敏电阻具有一大优势:大信号。这意味着您不必像其他传感器那样放大它(并放大信号所带来的所有信号,如噪声,偏移,漂移等)但是,正如我们所期望的那样,对于每一个优势都有至少有一个缺点; 热敏电阻是高度非线性的。这不仅提出了我们如何处理信号的问题,而且我们如何在SPICE中对其进行建模?
 
我们必须超越基本的RLC组件来模拟热敏电阻的非线性行为。但是,一旦描述热敏电阻的电阻与温度的公式 已知,创建模型比您想象的更容易。为了实现这一目标,我们只需要一个简单的技巧就可以在不使用电阻的情 然后,将描述作为温度函数的电阻的等式放入模型中。


热敏电阻电抗
热敏电阻与温度的关系如何?随着温度的升高,根据R对T方程,其电阻变小
R = Ro exp(Beta / T - Beta / To)

哪里
[R    T(K)时的热敏电阻
Ť    热敏电阻温度(K)
Ro    To(K)的标称阻力
To    测量Ro的温度
Beta    热敏电阻材料常数
 
该指数方程描述了随温度升高而降低的非线性曲线。因此,您可能会看到热敏电阻被称为负温度系数(NTC)设备。例如,假设您购买的热敏电阻在To = 25时测量Ro = 10k并且材料常数Beta = 3548.该设备应测量-15到65摄氏度范围内的电阻,看起来像
T(deg C)
T(K)
= T(℃)+ 273
 R(欧姆)
     
-15 258 63338
25 298 10000
65 338 2444

没有电阻的电阻模型
建模热敏电阻的一个重要步骤是在不使用电阻的情况下创建电阻模型。但是怎么样?想想当电流通过时电阻器的行为。根据V = I x R产生电压。将电阻器放置在电路中 - 它自动完成工作。但是,让我们撕掉电阻器并使用其他SPICE组件手动完成工作。取而代之的是,只需检测电流I并用电压源产生电压V = I x R. 这是一个模拟10k电阻的子电路。
.SUBCKT RES_10K 1 2 
ERES 1 3 VALUE = {I(VSENSE)* 10K} 
VSENSE 3 2 DC 0 
.ENDS
为了检测电流,SPICE使用电压源VSENSE(0V)。它设置为0V,因此对输出电压没有影响。另一个源ERES根据检测到的电流乘以所需电阻产生“电阻”两端的电压: VALUE = {I(VSENSE)* 10K}。这个来源的美妙之处在于它的输出电压可以通过等式来描述!哇,想想可能性!太糟糕的现实世界组件不是那么容易创建。但至少我们在SPICE中模拟它们时有这种能力

热敏电阻模型
要创建热敏电阻模型,只需将电阻器的子电路扩展到上面,包括R对T方程和传感器温度

SUBCKT NTC_10K_1 1 2 4 5 
ETHERM 1 3 VALUE = {I(VSENSE)* 10K * EXP(3548 /(V(4,5)+273) - 3548 /(25 + 273))} 
VSENSE 3 2 DC 0 
。 ENDS
如您所见,已添加节点4和5。这是传感器的温度单位为伏特(但我们知道它代表摄氏度)。最后,R与T方程已包含在ETHERM语句中,以创建我们紧凑但功能强大的传感器模型。注意方程中包含的温度V(4,5)。

热敏电阻测试
如何使用SPICE测量元件的电阻?通过器件注入1A电流源并测量其上的电压会产生一个真实代表电阻的曲线图(V = I x R = 1 x R = R)。但请记住,虽然这种技术对于SPICE来说很方便,但对于实际组件来说却是不切实际的。(1A电流可能会对组件进行干扰或尝试产生超出电流源或示波器极限的大电压。将电流缩小到mA范围在工作台上更合理。)

电路分析运行SPICE文件THERM_MODEL1.CIR的模拟。电流源IS产生用于电阻测量的1A源。绘制热敏电阻的电阻V(1)(实际上是欧姆)。您的模拟是否符合上表中列出的-15,+ 25和+65°C的预期值?
 
注意电压源VTEMP如何产生传感器的温度。它包含一个 片段 - 线性(PWL)语句,可以产生从0毫秒-15V到100毫秒时65V线性上升的电压。虽然它是电压,但我们知道它代表温度。我们甚至会在PWL声明中输入DEG单位,只是提醒一下,无论如何SPICE都会忽略。
手动设计制造商通常使用相同材料常数制作各种Ro值的热敏电阻。假设10k热敏电阻还带有另一个电阻,如1k。要模拟它,请将VALUE语句中的10k更改为1k。重新运行模拟。R与T曲线的比例应比以前低10倍。曲线是否像以前一样保持其形状?这应该。但是,给定不同的材料常数,形状会发生变化。要查看其对形状的影响,请选择不同的Beta(最初为3548)并绘制新曲线。



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