Termistory žádejte lineární. Ušetříte místo i starosti

Je něco špatného na tom, že současné elektronické systémy budou rok od roku nejen výkonnější, ale ještě k tomu výrazně menší, a tudíž i složitější? Určitě ne. Pokud ovšem nepodceníte základní předpoklady spolehlivého provozu.

Termistor a ti ostatní

Úvodní otázku může jinak vnímat uživatel, ale také vývojář, který musel již dříve vše vymyslet a navrhnout tak, aby zapojení zůstalo bezpečné i v krizových situacích. Velmi dobře si totiž uvědomuje, jaké problémy se mohou pojit právě s teplotou. Má-li tedy v lepším případě zamezit ujíždění parametrů a v horším pak i poškození součástek, nebo dokonce plamenům, potřebuje vše náležitě řídit. V praxi to může znamenat vynucené chlazení, stejně jako změnu chování systému, který nyní nesmí odlišným podmínkám jen tak nečinně přihlížet. Zvláště pak v zapojení s akumulátory.

Každé elektronické zařízení má své základní stavební kameny. Z pohledu teorie obvodů se bude nepochybně jednat o rezistory, indukčnosti nebo kapacity provázané s ideálními, napěťovými či proudovými zdroji. V naší aplikační sféře, kdy klademe důraz především na spolehlivý provoz, platí stejná pravidla, jen vše musíme povýšit až na úroveň konkrétních součástek, zde tedy výchozích teplotních senzorů. Taková čidla pak zajišťují nejen tolik diskutovanou bezpečnost, ale umožní systému vykazovat i maximální možný výkon, který nebudeme předčasně stahovat dolů.

Snímačů přitom existuje celá řada, a jak už to v životě chodí, každý z nich bude mít svá pro i proti. Orientační přehled zahrnující teplotní senzory používané v elektronice v podobě integrovaných obvodů, termistorů, odporových snímačů teploty RTD (Resistance Temperature Detector, viz také příklad zapojení na obr. 1) nebo i termočlánků přináší tabulka 1. Údaje jsou poplatné zdroji [1] a mohou se v některých ohledech lišit.

Obr. 1 Ilustrační příklad složitějšího čtyřvodičového zapojení s velmi přesnými a také lineárními odporovými snímači teploty. S rostoucím počtem součástek zabírajících další místo se komplikuje i stanovení výsledné chyby. Bude totiž nezbytné uvážit tolerance prvku RTD, otázku samoohřevu, kvantizační chybu analogově-číslicového převodníku a také použité reference. Samozřejmostí jsou též pravidelné kalibrace

Nejen jako ochrany

Ve vestavných systémech jde často o výkon, množství funkcí a také malé vlastní rozměry. Byla by ale chyba domnívat se, že sledování teploty má sloužit pouze k ochraně takového návrhu a udržení potřebné míry bezpečnosti. Teplotní měření zde totiž provádíme nejen s cílem vyčíslit okolní poměry, ale třeba též pro účely kompenzace teplotně citlivých součástek, resp. k zajištění požadované přesnosti celého systému.

Jak dále vyplývá z aplikační poznámky, kterou na toto téma loni připravili ve společnosti Texas Instruments (TI), pokud má být monitorování teploty (včetně nabízené ochrany) efektivní, nelze opomíjet přesnost, finální rozměry, ale ani konkrétní způsob umístění čidla. S tím pak úzce souvisí též otázka linearity, obvodů sběru dat v kontextu celého provozního rozsahu a pochopitelně i zvolené pouzdření snímače, se kterým se pojí např. doba odezvy či možnosti řešení přívodů.

Termistorům to dlužili i v Texasu

Novinkám ze světa integrovaných senzorů teploty se na stránkách DPS Elektronika od A do Z věnujeme pravidelně – naposledy to byl např. Maxim. Výrobci součástek nás nepřestávají překvapovat, kam až jsou schopni v honbě za nepatrnými rozměry zajít a jaké výsledky mohou přesto stále zaručovat. Zvláště pak ve společné kombinaci s čidly vlhkosti, třeba od firmy Sensirion. Opakovaně píšeme rovněž na téma termočlánků stojících pro změnu na opačném konci měřicího rozsahu – viz také podpůrné obvody od společnosti Microchip, pro které jste mohli již dříve vyhrát i vývojovou desku. Svět se totiž netočí jen okolo nositelné elektroniky. A termočlánky zde kromě toho jako jediné nevyžadují vnější buzení a nejsou tudíž zatíženy samoohřevem.

Souhlasíme, vůči termistorům a odporovým snímačům teploty RTD zde máme určitý dluh. S novinkami od Texasu, datovanými k polovině února, se jej naštěstí podaří rychle splatit. Sice jen v prvním ze dvou zmiňovaných případů teplotních snímačů, zato však ve „velkém“ stylu. Nebo spíše malém provedení? Nepředbíhejme.

Pokroucené představy narovnají lineární PTC

Termistory, jejichž název bývá zkratkou pro celé původní označení „Thermal Resistor“, rozumíme docela jednoduché elektronické součástky se dvěma vývody, jejichž vlastní odpor se může s teplotou nejen měnit, ale bude tak činit v takové míře, abychom příslušný posun s vhodnými obvody náležitě i zaznamenali a dokázali podchytit [5].
Na základě různých polovodičových materiálů a také výrobních procesů pak hovoříme o dvou základních skupinách prvků typu NTC (Negative Temperature Coefficient) či PTC (Positive Temperature Coefficient). První skupina čidel bude proto s rostoucí teplotou svůj odpor snižovat, zatímco u druhé se odpor, alespoň v základním náhledu, pro změnu zvyšuje. A jak dále vyplývá z obr. 2, začneme-li zkoumat R-T charakteristiky, tj. výše zmiňovanou závislost odporu na teplotě, lze v rámci provozního teplotního rozsahu termistoru obecně počítat buď s lineárním, nebo zase nelineárním průběhem.

Výchozí termistory s NTC nestojí mnoho, a navíc jsou s námi již po desetiletí. My se však, stejně jako autor [5], zaměříme spíše na jejich lineární protějšky, které se těší stále větší oblibě. Lineární křemíkové součástky známé též jako silistory, tedy z nezkráceného „Silicon Thermistor“, resp. prvky KTY, spadají pro své vlastnosti právě do širší skupiny PTC. A pokud jde o další, tedy nelineární termistory PTC, doplníme snad jen to, že se obvykle využijí v zapojeních s požadavkem na proudové omezení. Tomu také nahrává jejich strmý nárůst odporu po dosažení Curieho teploty, díky čemuž si vysloužily označení též jako „spínací“. Názorně to opět sledujeme na obr. 2.

Obr. 2 Základní rozdělení termistorů předpokládá buď kladný, či záporný teplotní koeficient součástky a závislost odporu na teplotě, tzv. R-T charakteristiku, která nemusí být pouze nelineární, ale může vykazovat mnohem vyrovnanější průběh

Jdeme zapojovat

Poplatně proudu tekoucímu součástkou, která se navenek projevuje svým odporem, vzniká odpovídající úbytek napětí. Termistory budou proto při své činnosti odkázány na vnější buzení. Logicky se tak nabízí zdroj konstantního napětí a zapojení s napěťovým děličem. Jde tedy pouze o to, aby se změna teploty vhodně projevila na velikosti napěťového výstupu. S výhodou a ohledem na využití plného rozsahu analogově- číslicového převodníku lze při buzení rovněž nasadit zdroj konstantního proudu – viz také obr. 3.

Obr. 3 Termistor NTC alespoň s paralelně řazeným rezistorem pro zajištění lineárního výstupu VTEMP. Lineární termistory PTC však mohou takovou vlastnost vykazovat již ze své podstaty a nepotřebují proto jakékoli obvody navíc

Výstupní napětí se pak nejčastěji zavádí buď přímo do A/D převodníku, nebo se k detekci, příp. pro účely výstrahy, použije třeba zapojení s operačním zesilovačem ve funkci komparátoru s patřičnou hysterezí. Je ale také zapotřebí zmínit otázky spojované s tolerancí odporu a citlivostí, kalibracemi, softwarem, tabulkami LUT, rovnicemi, ale též i driftem po celou dobu životnosti či samoohřevem, který lze naštěstí ovlivnit použitými materiály, rozměry termistoru, velikostí protékajícího proudu, okolními poměry (tepelná vodivost) a samozřejmě i layoutem desky plošného spoje [5]. Jak ostatně vyplývá z tabulky 2, hodně pomůže už jen samotná volba typu součástky.

Již od několika centů

Celou dobu k nim směřujeme a nyní konečně nadešel čas je i blíže představit. Nejmenší lineární termistory z obr. 4 od společnosti Texas Instruments mají oproti prvkům NTC s nízkou citlivostí a vysokými odchylkami dosahovat až o 50 % vyšší přesnosti a s ohledem na okolní součástky, příp. rovnou celý systém, se tak mohou k jejich teplotním limitům spolehlivě přibližovat ještě více [6]; na webu DPS Elektronika od A do Z viz také [7]. Nehodláte řešit zhoršené parametry termistorů se záporným teplotním koeficientem v teplotních extrémech, ale ani jejich složitější kalibrace – např. ve třech bodech, příp. i zapojení s větším počtem termistorů pro monitorování odlišných rozsahů? V tom případě jsou únorové novinky určené přímo pro vás. Navíc za srovnatelnou cenu. Co vše to může v praxi znamenat?

Obr. 4 K dosažení nových teplotních limitů vybízí nejmenší lineární termistory od TI

S novými součástkami lze realizovat přesná měření, a to i při teplotách přesahujících +80 °C, což oceníme zvláště v průmyslových či automobilových systémech, kde precizní výsledky v reálném čase tvoří naprostý základ. Systém proto nemusí vypínat ještě před tím, než dosáhne svého skutečného teplotního limitu, a navíc mu budou stačit kalibrace v jediném bodě.

Typický drift snímačů přitom nepřekračuje 0,5 %, zatímco se jejich cena může při odběru 1 000 kusů pohybovat již od 0,04 dolaru za jedno vyhotovení. Pro ilustraci nechť poslouží prvky TMP63-Q1 a výmluvná charakteristika z obr. 5. Dostupné vývojové nástroje pak rovněž zahrnují speciální desku z obr. 6.

Obr. 5 Typická závislost odporu lineárního termistoru TMP63-Q1 (±1 %, 100 kΩ, AEC-Q100; v době psaní článku stále jako „Preview“) v pouzdrech typu X1SON o rozměrech 0,60 × 1,00 mm na teplotě až do +125 °C

Obr. 6 Vývojová deska TMP6EVM je společná pro všech šest lineárních termistorů od TI

Dostanou se všude. Třeba i do díry

Lineární termistory TMP61 budou společně s novějšími verzemi TMP63 a TMP64 k dispozici jak pro povrchovou montáž (0402 a 0603), tak též k osazení do vrtaných otvorů (TO92-S). Při pokojové teplotě vykazují jmenovitý odpor R₂₅ o velikosti 10 kΩ, 100 kΩ či 47 kΩ. Nabídka se odvíjí od konkrétného provedení, které může být pokaždé určené i do náročných podmínek automobilového průmyslu. Někdy až do +150 °C [8].

Jednoduše použitelné součástky kladou velký důraz na svou vlastní velikost, jen aby se mohly dostat co nejblíže požadovanému místu nebo přesněji bodu měření a zajistit přitom očekávané výsledky, včetně rychlejší odezvy. Společně s dosahovanými technickými parametry proto vynikají nejen nad rodinou prvků NTC, ale také ve srovnání s podobnými křemíkovými lineárními termistory. Mít jen desetinovou velikost se prostě vyplatí.

robenek@dps-az.cz