使用負溫度係數電阻NTC來設計溫度量測線路

(這是一篇「客座文章」,如果您也想要在本部落格發表文章,可以參考「徵求客座文章」一文。文章版權屬原作者所有,本部落格僅提供發表的平台與機會,如有任何問題可以直接接洽作者。)

關於NTC介紹

由於負溫度係數電阻(negative temperature coefficient resistor,以下簡稱NTC)本身在一個100度以上的溫度範圍內的電阻值變化非常巨大。從室溫25°C到150°C的電阻值差了32倍以上。以NCP18XH103F0SRB為例,25°C的電阻為10kΩ,而在150°C的電阻為0.3085kΩ.根據電路的特性,如果使用單一NTC量測大範圍的溫度,例如-40°C到+125°C,會造成溫度量測系統在某個溫度範圍的分辨率低。

此文介紹了使用一個額外的電阻並聯在NTC兩端,並透過串聯和並聯電阻的阻值調控溫度量測線路的輸出電壓在一個特定溫度範圍內有較好的分辨率。此文說明了在低分辨率下,線路各元件的誤差降低了溫度量測的精度。這也反映了提高分辨率的重要性。

文章內容

NTC是熱敏電阻的一種。熱敏電阻(thermistor)是一種傳感器電阻,電阻值隨著溫度的變化而改變。熱敏電阻的英文「thermistor」是由Thermal(熱)及resistor(電阻)兩詞組合而成。熱敏電阻屬可變電阻的一類,廣泛應用於各種電子元件中,例如湧流電流限制器、溫度傳感器、可復式保險絲、及自動調節的加熱器等熱敏電阻分為正溫度係數和負溫度係數兩大類,此文所提的NTC則是一種電阻值隨溫度升高而降低的熱敏電阻。NTC也常被用於低精度的溫度量測系統上,作為產品的溫度監控和過溫保護的元件之一。







圖1是常見的應用線路,由一個串聯電阻Rs和NTC組成的分壓電路。透過類比轉數位轉換器(analog to digital converter以下簡稱ADC)量測分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。

圖1是常見的應用線路,由一個串聯電阻Rs和NTC組成的分壓電路。透過類比轉數位轉換器(analog to digital converter以下簡稱ADC)量測分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。電阻-溫度特性曲線

這電路看似再簡單不過了,但它存在著在高溫區的分辨率過低的缺點。NCP18XH103F0SRB(*1)是一顆誤差1%,在25°C時的電阻為10kΩ,操作溫度-40°C至+150°C的NTC。根據NCP18XH103F0SRB的規格書所描繪出來的電阻-溫度特性曲線顯示在圖2。

若圖1的Vbias定在5V,Rs定在10kΩ搭配NCP18XH103F0SRB,所得出的Vo對溫度的特性曲線如圖3. 從圖3可以觀察到,從70°C到125°C這段的Vo變化變得較為和緩,附帶的結果就是在同樣的ADC解析度下,ADC感測的溫度解析度降低。若進行最壞情況電路分析(Worst-Case Circuit Analysis, WCCA)時,更可以發現整個量測系統的總誤差在高溫的區段會有相當大的溫度誤差。而通常過溫保護線路所關心的是在高溫的準確度。

Vo對溫度特性曲線

解決方法不外乎有兩點,第一種方法是選用高精度的零件。但這直接提高了成本。第二種方法是並聯一個電阻Rp在NTC兩側,形成圖4的電路。

NTC並聯Rp的溫度量測電路

如此一來,選擇特定的Rs和Rp即可調整Vo對溫度特性曲線。若Rs為2.2kΩ,Rp為4.7kΩ,則Vo對溫度特性曲線如圖5所示。這樣的配置可以讓高溫的區段有比較大的負斜率,從而提高Vo的分辨率。

NTC並聯Rp後的Vo對溫度特性曲線

帶有Rp的溫度量測線路附帶了另一項優點,透過調控Rp可以改變在-40°C時Vo電壓。如果量測系統含有MCU,那麼可以在韌體中加入線路的stuck-at-high的診斷功能。根據電路的設計,在-40°C的Vo為3.38V,如果系統有某些故障發生造成Vo出現5V的情形,則判斷為系統中的溫度量測線路出現故障。

另外,對於stuck-at-low的診斷功能,如果使用圖1的特性曲線,由於在150°C的Vo太接近0V,對於單電源的op amp會有無法輸出接近0V的電壓。若根據圖5 的特性曲線,在150°C的Vo為0.581V。對於大部分單電源的op amp來說,即使考慮了最差情況電路分析(WCCA),要輸出0.581V不是問題。

結論

透過增加的Rp電阻,並調整Rs和Rp的阻值可以調整溫度量測線路的輸出電壓在一個特定溫度範內有較好的分辨率,也較容易在系統中加入stuck-at-high,stuck-at-low 的診斷功能。


文章關鍵字

NTC 溫度量測,熱敏電阻,thermistor,提高溫度量測的精度,stuck-at-high, stuck-at-low

參考文獻:

文章內容下載網址:


關於作者

Wilson.Yee,一位硬體研發工程師,樂於分享在工作上曾經遇到的問題、瓶頸、個案,以及對應的解決方案和硬體設計的技巧和需要注意的地方。經驗值得被記載下來,以提升他人的硬體設計技術。

Email: aspireykw01@outlook.com

Line ID: wilsonykw

歡迎來信索取本文相關的計算工具及技術交流。


延伸閱讀:
PCB電路板上面為何要有測試點?
介電路板組裝後的功能測試(FVT/FCT)
軟性電路板(FPCB)線路設計注意事項 I


訪客留言內容(Comments)

No comments yet.


訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 歡迎您訂閱本部落格的最新文章,當有新文章時會主動以電子郵件通知你。

您有話要說(Leave a comment)

(required)

(required)