基于热敏电阻的温度检测系统设计挑战和电路配置

作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

介绍

这是由两部分组成的系列文章中的第一篇文章。第1部分将首先讨论基于热敏电阻的温度测量系统的历史和设计挑战，以及它与基于电阻温度检测器（RTD）的温度测量系统的比较。它还将概述热敏电阻的选择、配置权衡以及Σ-Δ模数转换器（ADC）在该应用领域中的重要性。第2部分将详细介绍如何优化以及如何评估基于热敏电阻的最终测量系统。

热敏电阻与RTD

如文章“如何选择和设计最佳RTD温度检测系统”中所述，RTD是一种电阻器，其电阻随温度的变化而变化。热敏电阻的工作方式与RTD类似。与仅具有正温度系数的RTD不同，热敏电阻可以具有正或负温度系数。负温度系数（NTC）热敏电阻随着温度的升高而降低其电阻，而正温度系数（PTC）热敏电阻随着温度的升高而增加其电阻。图1显示了典型NTC和PTC热敏电阻的响应特性，以及它们与RTD曲线的比较情况。

图1.热敏电阻与RTD的响应特性

在温度范围方面，RTD曲线接近线性，由于热敏电阻的非线性（指数）特性，传感器覆盖的温度范围比热敏电阻宽得多（通常为–200°C至+850°C）。RTD通常以众所周知的标准化曲线提供，而热敏电阻曲线因制造商而异。我们将在本文的热敏电阻选择指南部分详细讨论这一点。

热敏电阻由复合材料组成，通常是陶瓷、聚合物或半导体（通常是金属氧化物），与纯金属（铂、镍或铜）制成的RTD相比，它们更小、更便宜，但并不坚固。热敏电阻可以比RTD更快地检测温度变化，从而提供更快的反馈。因此，热敏电阻是需要低成本、小尺寸、更快响应速率、更高灵敏度和温度范围受限的应用中使用的传感器，例如监控电子设备、家庭和楼宇控制、科学实验室或商业或工业应用中用于热电偶的冷端补偿。

在大多数情况下，NTC热敏电阻而不是PTC热敏电阻用于精密温度测量应用。有一些可用的PTC热敏电阻用于过流输入保护电路或作为安全应用的可复位保险丝。PTC热敏电阻的电阻温度曲线在达到其开关点（或居里点）之前表现出非常小的NTC区域，超过该区域，电阻在几摄氏度的跨度内急剧增加几个数量级。因此，在过流条件下，PTC热敏电阻在开关温度之外将具有很高的自发热，其电阻将急剧增加，从而导致输入到系统的电流减少，从而防止损坏发生。PTC热敏电阻的开关点通常在60°C至120°C之间，不适合在宽范围应用中监测温度测量。本文重点介绍通常可以测量或监测–80°C至+150°C温度的NTC热敏电阻。 NTC热敏电阻的标称电阻为25°C，范围从几欧姆到10 MΩ。如图1所示，与RTD相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更为显著。与RTD相比，热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路更简单，因为热敏电阻不需要任何特殊的布线配置，例如3线或4线来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的2线配置。

表1显示了RTD、NTC和PTC热敏电阻的优缺点。

 

参数	NTC热敏电阻	PTC 热敏电阻	即时热饮器
温度范围	–80°C 至 +300°C	60°C 至 120°C	–200°C 至 +850°C
温度系数	阴性	阳性	阳性
线性	指数	指数	近线性
敏感性	高	高	低
响应时间	快	快	慢
兴奋	必填	必填	必填
自加热	是的	是的	是的
接线配置	2 线制	2 线制	2 线、3 线、4 线
成本	便宜到适中	便宜的	中等到昂贵
大小	小	小	中等

 

基于热敏电阻的温度测量挑战

基于热敏电阻的高精度和精确温度测量需要精确的信号调理、模数转换、线性化和补偿，如图2所示。虽然信号链看起来简单明了，但涉及几个复杂的因素也会影响整个系统板的尺寸、成本和性能。ADI的精密ADC产品组合中提供多种集成解决方案，例如AD7124-4/AD7124-8，由于应用所需的大多数构建模块都是内置的，因此在设计温度系统时具有多种优势。然而，设计和优化基于热敏电阻的温度测量解决方案存在不同的挑战。

图2.典型的NTC热敏电阻测量信号链模块。

挑战包括：

市场上有各种各样的热敏电阻。

如何为我的应用选择合适的产品？

与RTD一样，热敏电阻是无源器件，不会自行产生电输出。激励电流或电压用于通过小电流通过传感器以产生电压来测量传感器的电阻。

如何选择电流/电压？

热敏电阻信号应该如何调节？

如何调整上述变量，以便转换器或其他构建块在其规范范围内使用？

连接系统中的多个热敏电阻：传感器是如何连接的？某些块可以在不同的传感器之间共享吗？对整体系统性能有何影响？

热敏电阻的主要关注点是其非线性响应和系统精度。

我的设计的预期误差是多少？

使用哪些线性化和补偿技术来实现目标性能？

本文讨论了这些挑战中的每一个，并就如何解决这些问题并进一步简化设计此类系统的过程提供了建议。

热敏电阻选型指南

目前市场上有各种各样的NTC热敏电阻可供选择，因此为您的应用选择特定的热敏电阻可能非常具有挑战性。请注意，热敏电阻按其标称值列出，即25°C时的标称电阻。 因此，10 kΩ热敏电阻在25°C时的标称电阻为10 kΩ。 热敏电阻的标称或基极电阻值从几欧姆到10 MΩ。具有低标称电阻（10 kΩ或更小标称电阻）的热敏电阻通常支持较低的温度范围，例如–50°C至+70°C。 具有较高标称电阻的热敏电阻支持高达300°C的温度。

热敏电阻元件由金属氧化物制成。热敏电阻有磁珠、径向和SMD形式。磁珠热敏电阻采用环氧涂层或玻璃封装，可提供额外保护。环氧树脂涂层磁珠热敏电阻、径向和 SMD 热敏电阻适用于高达 150°C 的温度。 玻璃镀膜珠子热敏电阻适用于高温测量。所有类型的涂层/包装还可以防止腐蚀。一些热敏电阻还将具有额外的外壳，以在恶劣环境中增加进一步的保护。磁珠热敏电阻比径向/SMD热敏电阻具有更快的响应时间。但是，它们并不那么强大。因此，使用的热敏电阻类型取决于最终应用和热敏电阻所在的环境。热敏电阻的长期稳定性取决于其材料及其封装和结构。例如，环氧树脂涂层NTC热敏电阻每年可变化0.2°C，而密封热敏电阻每年仅变化0.02°C。

热敏电阻具有不同的精度。标准热敏电阻的精度通常为0.5°C至1.5°C。 热敏电阻对其标称电阻值和β值（25°C至50°C/85°C关系）具有容差。请注意，热敏电阻的β值取决于制造商。例如，来自不同制造商的10 kΩ NTC热敏电阻将具有不同的β值。对于更高精度的系统，可以使用Omega™ 44xxx系列等热敏电阻。在 0°C 至 70°C 的温度范围内，它们的精度为 0.1°C 或 0.2°C。 因此，被测量的温度范围以及整个温度范围内所需的精度决定了热敏电阻是否适合该应用。请注意，欧米茄44xxx系列越准确，其成本就越高。

因此，要使用的热敏电阻取决于：

被测温度范围

所需的精度

使用热敏电阻的环境

长期稳定性

 

线性化：贝塔与斯坦哈特-哈特方程

要从电阻转换为摄氏度，通常使用贝塔值。β值是通过知道两个温度点和每个温度点的相应电阻来确定的。

哪里：

RT1= 温度 1 时的电阻

RT2= 温度 2 时的电阻

T1= 温度 1 （K） T2= 温度 2 （K）

热敏电阻的数据手册通常列出两种情况下的β值：

两种温度分别为25°C和50°C

两种温度分别为25°C和85°C

用户使用最接近设计中使用的温度范围的 beta 值。大多数热敏电阻数据手册列出了β值以及25°C时的电阻容差和β值的容差。

Omega 44xxx系列等更高精度热敏电阻和更高精度的终端解决方案使用斯坦哈特-哈特方程从电阻转换为摄氏度。从公式2中可以看出，需要三个常数——A、B和C，传感器制造商再次提供这些常数。由于方程的系数是使用三个温度点生成的，因此得到的方程将线性化引起的误差降至最低（线性化引起的误差通常为0.02°C）。

哪里：

A、B 和 C 是从三个温度测试点得出的常数。

R = 热敏电阻的电阻（Ω

T = 温度，单位为 K

 

电流/电压激励

图3显示了传感器的电流激励。激励电流施加到热敏电阻，相同的电流施加到精密电阻器;用作测量基准的精密电阻。基准电阻的值必须大于或等于热敏电阻的最高电阻值（取决于系统中测量的最低温度）。在选择激励电流的大小时，必须再次考虑热敏电阻的最大电阻。这可确保传感器和基准电阻两端产生的电压始终处于电子设备可接受的水平。激励电流源需要一定的裕量或输出一致性。如果热敏电阻在被测的最低温度下具有较大的电阻，则会导致激励电流值非常低。因此，在高温下，热敏电阻两端产生的电压很小。为了优化这些低电平信号的测量，可以使用可编程增益级。但是，增益需要动态编程，因为来自热敏电阻的信号电平随温度变化显著。

图3.热敏电阻的电流激励。

另一种选择是设置增益，但使用动态激励电流。因此，当来自热敏电阻的信号电平发生变化时，激励电流值会动态变化，从而使热敏电阻两端产生的电压在电子设备的指定输入范围内。用户必须确保基准电阻两端产生的电压也处于电子设备可接受的水平。这两种选择都需要高水平的控制，持续监控热敏电阻两端的电压，以确保电子设备可以测量信号。有更简单的选择吗？让我们看看电压激励。

图4.热敏电阻的电压激励。

当热敏电阻被恒定电压激励时，通过热敏电阻的电流将随着热敏电阻电阻的变化而自动缩放。现在不再使用基准电阻，而是使用精密检测电阻，其目的是计算流过热敏电阻的电流，以便计算热敏电阻电阻。由于激励电压也用作ADC基准，因此无需增益级。在监控热敏电阻两端的电压、确定信号电平是否可以由电子设备测量以及计算需要调整的增益/激励电流值方面，处理器没有工作量。这是本文中使用的方法。

热敏电阻电阻范围/激励

如果热敏电阻的标称电阻和电阻范围较小，则可以使用电压或电流激励。在这种情况下，激励电流和增益可以固定。因此，电路如图3所示。这种方法很有用，因为流过传感器和基准电阻的电流是可以控制的，这在低功耗应用中很有价值。此外，热敏电阻的自发热也降至最低。

也可以对标称电阻较低的热敏电阻使用电压激励。但是，用户必须确保通过传感器的电流在任何时候都不会太大，对于传感器本身或应用而言。

当使用具有大标称电阻和大温度范围的热敏电阻时，电压激励使实现更容易。较大的标称电阻可确保标称电流处于合理水平。但是，设计人员需要确保电流在应用支持的整个温度范围内处于可接受的水平。

Σ-Δ型ADC在基于热敏电阻的应用中的重要性

Σ-Δ型ADC在设计热敏电阻测量系统时具有多种优势。首先，由于Σ-Δ型ADC对模拟输入进行过采样，因此外部滤波被最小化，唯一的要求是一个简单的RC滤波器。它们在选择滤波器类型和输出数据速率方面提供了灵活性。内置数字滤波可用于抑制市电供电设计中来自主电源的任何干扰。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率最大为21.7位，因此具有高分辨率。

其他好处是：

模拟输入的宽共模范围

基准输入的宽共模范围

能够支持比率配置

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括：

职业高尔夫球协会

内部参考

基准/模拟输入缓冲器

校准功能

使用Σ-Δ型ADC可显著简化热敏电阻设计，同时降低BOM、系统成本、电路板空间和上市时间。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作为ADC，因为它们是低噪声、低电流精密ADC，集成PGA、嵌入式基准电压源、模拟输入和基准电压缓冲器。

热敏电阻电路配置 — 比率式配置

无论使用激励电流还是激励电压，都建议使用比率配置，其中基准电压和传感器电压来自同一激励源。这意味着激励源的任何变化都不会影响测量精度。

图5显示了为热敏电阻和精密电阻R供电的恒定激励电流裁判，R两端产生的电压裁判作为热敏电阻测量的基准电压。激励电流不需要精确，并且可能不太稳定，因为在此配置中将消除激励电流中的任何误差。激励电流通常优于电压激励，因为它对灵敏度的出色控制，并且当传感器位于偏远地区时具有更好的抗噪性。这种类型的偏置技术通常用于具有低电阻值的RTD或热敏电阻。但是，对于电阻值较高且灵敏度较高的热敏电阻，根据温度变化产生的信号电平会更大，因此使用电压激励。例如，10 kΩ热敏电阻在25°C时的电阻为10 kΩ。 −50°C时，NTC热敏电阻电阻为441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的最小激励电流为50 μA，产生441.117 kΩ×50 μA = 22 V的电压，该电压过高，超出了该应用领域中使用的大多数可用ADC的工作范围。热敏电阻通常也连接或位于电子设备附近，因此不需要激励电流的抗噪优势。

图5.配置恒流源。

图6显示了用于在NTC热敏电阻两端产生电压的恒定激励电压。以分压器电路的形式添加串联检测电阻，将热敏电阻上的电流限制在其最小电阻值。在此配置中，检测电阻的值为 R意义，必须等于热敏电阻在基准温度为25°C时的电阻大小，以便在标称温度为25°C时，输出电压将设置为基准电压的中间电平值。 同样，如果使用在25°C时电阻为10 kΩ的10 kΩ热敏电阻，则R意义必须等于 10 kΩ。当温度变化时，NTC热敏电阻的电阻也会发生变化，热敏电阻两端的激励电压分数也会发生变化，从而产生与NTC热敏电阻电阻成比例的输出电压。

图6.配置分压器电路。

如果选择用于为热敏电阻供电的基准电压和/或 R意义与用于测量的ADC基准电压源相同，然后系统配置为比率测量（图7），以便消除与激励电压源相关的任何误差。

图7.热敏电阻比率配置测量。

请注意，检测电阻（电压激励）或基准电阻（电流激励）需要具有低初始容差和低漂移，因为这两个变量都会影响整体系统精度。

当使用多个热敏电阻时，可以使用单个激励电压。但是，每个热敏电阻必须有自己的精密检测电阻，如图8所示。另一种选择是使用具有低导通电阻的外部多路复用器或开关，这允许共享单个精密检测电阻。使用这种配置时，每个热敏电阻在测量中都需要一些建立时间。

图8.多个热敏电阻的模拟输入配置测量。

总之，在设计基于热敏电阻的温度系统时，存在多个问题：传感器选择、传感器连接、元件选择方面的权衡、ADC配置以及这些不同变量如何影响整体系统精度。本系列的下一篇文章将介绍如何优化系统设计和整体系统误差预算以实现目标性能。

审核编辑：郭婷