如何选择和使用NTC热敏电阻进行温度控制-华巨电子


热敏电阻由于灵敏度高,体积小,坚固耐用,响应时间快,成本低等优点,广泛应用于激光二极管和检测器冷却应用中。当与热电(TE)冷却器和支持电路正确使用时,可以控制到最低的成本,常见热敏电阻具有足够的灵敏度,可以将激光二极管的温度稳定在高于0.001℃。热敏电阻的高灵敏度的价格是以非线性度计算的,这样使其得选择和使用比其他预期更具挑战性的因素。

 

热敏电阻特性

 

热敏电阻通常是具有随温度而非线性变化的电阻的两端子半导体器件。热敏电阻的非线性使其校准和使用复杂化。

 

在以前,设计工程师经常采用基于电阻的线性化网络,只有在非常窄的温度范围内才能有效地转换耐温度。幸运的是,微处理器具有极大简化网络版这项任务与他们的快速计算出复杂的表达式的能力。大多数热敏电阻的RT特性由Steinhart-Hart方程准确描述:

1 / T = A + B *(Ln R)+ C *(Ln R)3

在这种关系中,T是绝对温度(开尔文),A,B和C是常数,可以用电阻和温度的测量值来确定。假设良好校准数据是可用的,自Steinhart-Hart公式介绍了小于0.1的误差℃ 的温度范围内的-30 ℃ 至125 ℃ ,和小于0.01的误差℃ -20 ℃ 50至℃ 。

 

Steinhart-Hart方程EXCLS版文档下载

下图为250,500,1K,2.5K,5K,10K,25K,30K,50K,100K欧姆NTC热敏电阻阻温曲线

图1. 9个常见热敏电阻的电阻 - 温度响应曲线。

 

比较普遍的热敏电阻是负温度系数( NTC),它随着温度的升高而电阻降低。9个常见的NTC热敏电阻的RT特性如图1所示。每个热敏电阻的标称电阻为25℃; 通常可用的热敏电阻的范围从250Ω到100千Ω。

 

通过使用不同的金属氧化物形成半导体结,在热敏电阻制造过程中完成电阻控制。使用几种不同的材料组合达到相同的标称25 ℃ 电阻,并且每种组合导致稍微不同的RT特性。这种各种可用的RT特性通常似乎使热敏电阻选择复杂化。然而,如图2所示,相同标称电阻的热敏电阻之间的差异相对较小。

标称电阻 -通常,热敏电阻在表现出数千欧姆电阻的温度下工作。在这些高电阻下,简单的双线电阻测量使用传统的数字万用表工作得很好,温度控制器的测量电路不必过于复杂或精确,可靠的温度测量。

 

温度灵敏度 -热敏电阻在低温下实现了最高的灵敏度,其中电阻对温度曲线最陡。随着温度的升高,这种灵敏度会迅速下降。对于典型的10kΩ热敏电阻,灵敏度变化如下:

温度灵敏度
-20 ℃5600 Ω / ℃
25 ℃439 Ω / ℃
50 ℃137 Ω / ℃

为了理解实际热敏电阻选择取舍,考虑在图3所示的系统框图。该温度系数显示的温度感测和显示系统,如一个使用此处和其他温度控制器。通过热敏电阻强制恒定电流(10μA或100μA),然后测量电压降来感测热敏电阻的电阻。电压被数字化,然后输入到微处理器,计算电阻,并使用Steinhart-Hart方程来计算温度。

 

所述温度控制器使用小号一个23位的A / D转换器在0测量范围- 6V,从而导致每步大约0.7μV的A / D输入电压分辨率。由于热敏电阻电阻是非线性的,所以实际的温度测量分辨率也是非线性的。这种非线性使得温度测量极限的定义变得复杂。

 

随着热敏电阻温度的升高,其电阻和对温度变化的敏感性也降低。这意味着每位的欧姆数减少,每A / D步数的度数增加。图4说明了这种关系。的上部连接古尔示出了热敏电阻电阻和电压输入到A / D,和用于确定该系统的低温极限。的下部连接古尔示出了在每A / D转换器步骤摄氏度系统测量分辨率,以及用于确定上限温度。

温度控制器的显示分辨率为0.001 ℃ 。只要单个A / D比特对应于小于0.001的变化℃ ,测量分辨率不显音响着地影响该仪器的应用程序。单个A / D步长对应于大于0.001 ℃ 的变化的温度如下:

Sensi,ng电流Δ R / 0.001 10K Ω 热敏电阻温度。
10μA0.07 Ω64 ℃
100μA0.007 Ω132 ℃


在高于这些温度的温度下,单个A / D步长对应于温度变化大于0.001 ℃ ,仪器不能再检测并测量温度变化小于0.001 ℃ 。

 

随着热敏电阻温度的降低,其电阻增加,同样的电压也增加。当电压超过A / D转换器的最大输入电压时,达到实际的较低温度限制。典型的低温测量限值为:

 

感应电流抵抗性10K Ω 热敏电阻温度。
10μA600000 Ω-49 ℃
100μA60.000 Ω-11 ℃

使用典型的10 kΩ  热敏电阻

 


图4.测量分辨率变化与温度的关系


结论

您选择的热敏电阻类型将主要取决于所需的工作温度范围。热敏电阻RT曲线,如图1所示,通常由热敏电阻制造商提供,为热敏电阻选择提供了良好的指导。

热敏电阻的有用温度范围通过改变感测电流而移动。的温度范围为温度控制器,使用10千Ω 热敏电阻,是由图4中的中心处的水平杆示出,并且可以通过改变感测电流急剧偏移。

图4提供了典型的10kΩ 热敏电阻的数据,但是可以使用与其他热敏电阻相同的方法。从图中可以看出,对于大多数激光二极管冷却应用来说,10 kΩ 热敏电阻通常是一个很好的选择,从高于室温到大约-40 ℃ 需要高稳定性。

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