Temperatura - Dioda, termistor NTC, KTY.
Wyrazona w mV/C czulosc zwyklej krzemowej diody polprzewodnikowej jako sensora temperatury zalezy od gestosci pradu w jej zlaczu. Sensor jest troche nieliniowy i czulosc wzrasta przy niskich temperaturach. Zakres pradow pomiarowych moze byc duzy - taki w jakim zlacze ma charakterystyke scisle logarytmiczna - od dolu ograniczona pradem uplywu a od gory rezystancja rozproszona. Przy malych gestosciach pradu w zlaczu czulosc (w temperaturze pokojowej) diody wynosi -2.2 mV/C by przy duzych gestosciach pradu spasc do -1.4 mV/C. W dosc szerokim zakresie pradow diody czulosc przyjmuje sie jako -2mV/C.
Stosujac przewodowe przylaczenie diody - sensora wybieramy male prady pracy takze po to aby zminimalizowac wplyw rezystancji przewodu. W praktyce lepiej niz diody sprawuja sie tranzystory polaczone w diode.
Diody wprost do mikrokontrollera nie mozna w zasadzie dolaczyc w przeciwienstwie do termistora NTC i sensora rodziny KTY. W ogolnosci wymagania na uklad kondycjonujacy dla kazdego sensora sa tym wieksze im wiekszy jest offset na tle uzytecznego sygnalu z sensora i im mniejsza jest czulosc sensora. Poniewaz napiecie na diodzie (offset) spada a czulosc rosnie wraz ze zmniejszaniem pradu pomiarowego to nalezy stosowac raczej male gestosci pradu (co troche zmniejsza wymagania dla kondycjonera i jego koszt) ale pamietajac ze dioda jest nieliniowa i prostowane silne zaklocenia elektromagnetyczne wywoluja bledy DC !
Wolne diody prostownicze serii 1N400X nie prostuja sygnalow radiowych, zwlaszcze te wolniejsze na wyzsze napiecia.
Opornosc zrodla zasilania diody - sensora wynika z procesu linearyzacji. Bledem jest zasilanie diody ze zrodla pradowego ! Dla sensora PT100 opornosc zrodla zasilania jest dla linearyzacji kwadratowej ujemna dla diody zas dodatnia. Jesli zakres obejmuje ujemne temperatury to dobra linearyzacje osiagamy przy zasileniu diody poprzez opornik z napiecie około 8*Ud, gdzie Ud to napiecie na diodzie w temperaturze 20C.
Mostek z dioda jako sensorem nie jest ratiometryczny i to jest wada diody.
Dioda do zastosowan w cieplownictwie nadaje sie znakomicie !
Diody z jednej tasmy od renomowanego producenta wykazuja rozrzut mniejszy od 1C zalezny od starannosci i poziomu technologi producenta. Zatem konieczna jest indywidualna - programowa korekcja offsetu.
Tranzystor moze byc stosowany jako dioda lub od razu moze ( polaczenie trzyprzewodowe ) wzmacniac sygnal 10-30 razy czyniac zbednym wzmacniacz operacyjny. W tym drugim rozwiazaniu wykluczone sa dlugie przewody a wiec sensor musi byc w samym urzadzeniu na PCB lub blisko niego. Tam gdzie w regulatorze odczyt temperatury jest zbedny tranzystor sensor jest od razu stopniem wzmacniacza sygnalu bledu.
Interface ze wzmacniaczem operacyjnym dla diody i sensora PT100 moze byc taki sam ( inne wartosci rezystorow ) ale pamietac nalezy w programie o zmianie znaku czulosci.
Obecnie od lat zdecydowanie najpopularniejsze sa termistory o ujemnym wspolczynniku temperaturowym czyli NTC. Sa uzyteczne w zakresie temperatur -50...200 (300)C.
Niemniej szybko zdobywaja popularnosc sensory rodziny KTY zblizone do termistorow ale o dodatnim wspolczynniku temperaturowym.
Termistory sa wykonane z polprzewodnikow.
Zachowanie termistora NTC dobrze opisuje znane z fizyki rownanie Steinhart–Harta. W zakresie 0-100C aproksymacja tym rownaniem ma dokladnosc rzedu 0.02%. Uproszczony wspolczynnik wzglednej zmiany opornosci NTC moze wynosic ca 4%/C ( zawsze zawiera sie w przedziale 3-4.5 %/C ) a wiec sa to elementy czule ale mocno nieliniowe.
Znane sa uklady analogowe sluzace do linearyzacji termistorow NTC ale w rozwazanym zastosowaniu "przemyslowym" nie ma dla czegos takiego zastosowania. NTC nie jest dokladnym sensorem.
Termistor ( jest ratiometryczny ale uwaga na samopodgrzanie ) linearyzujemy zasilajac go poprzez rezystor (moze byc przelaczany programowo) ktory ma taka wartosc jaka opornosc termistor w punkcie srodkowym zakresu pomiarowego ! To cala madrosc linearyzacji NTC.
Stosujac zasilanie +5V (to samo co napiecie odniesienia dla przetwornika A/D w mikrokontrolerze ) i podajac sygnal z NTC bez zadnego dodatkowego ukladu aktywnego wprost na przetwornik A/D w mikrokontrolerze jednoukladowym uzyskujemy teoretycznie pomiar ( linearyzacja programowa dla pomiaru w scislym znaczeniu jest wtedy wymagalna ale normalnie nie jest stosowana ) od temperatury zero do nieskonczonosci co jest bardzo wygodne ale o dobrej liniowosci i rozdzielczosci oraz stabilnosci tylko wokol temperatury srodkowej zakresu. W punkcie srodkowym zakresu na wyjsciu termistora - opornika jest napiecie 1/2 x 5V = 2.5V co stwarza mozliwosc latwej kontroli. Termistory sa tanie, niezawodne i masowo stosowane w samochodach w praktycznych obudowach. Maja duza czulosc i z reguly zbedny jest kondycjoner.
Popularny termistor NTC o opornosci 10K ma opornosc podana w temperaturze 25C. W temperaturze 0C ma opornosc 32.65 K a przy 50C, 3.601 K.
Zatem optymalny opornik zasilajacy termistor bedzie dosc mocno zmienial wartosc przy zmianie srodkowej termperatury zakresu pomiarowego - roboczego.
Polprzewodnikowe sensory rodziny KTY maja dodatni wspolczynnik temperaturowy okolo 0.78%/C. Sa wiec znacznie mniej czule niz termistory NTC. Zakres temperatur -50...150C lub do 300C. Oznaczenie sensora jest dosc ciekawe. Na przyklad KTY81-Xyy, gdzie X oznacza 1 dla nominalnej rezystancji w temperaturze 25C wynoszacej 1K a 2 dla 2K. Zas yy oznacza tolerancje nominalnej opornosci. Zatem KTY81-110 ma nominalna opornosc w temperaturze 25% 990-1010 Ohm. Sensor KTY81-250 ma nominalna opornosc 1900-2100 Ohm.
Tam gdzie system musi byc ekstremalnie energooszczedny diode , NTC czy KTY zasilamy impulsowo tylko w czasie pomiaru.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz