NTC-Thermistoren: So funktionieren negative Temperatursensoren

Was NTC eigentlich bedeutet

NTC steht für Negativer Temperaturkoeffizient. Es ist eine Materialeigenschaft, bei der der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Das ist es. Einfaches Konzept, aber der Teufel liegt darin, wie man es benutzt.

Die meisten Ingenieure begegnen NTC-Thermistoren an zwei Stellen: bei der Temperaturmessung und bei der Einschaltstrombegrenzung. Das erste ist das, woran Sie wahrscheinlich denken, wenn Sie „Thermistor“ hören. Der zweite ist oft unsichtbar — er sitzt ruhig auf einer Netzteilplatine und schützt so vor den enormen Stromstößen, wenn Sie ein Gerät zum ersten Mal einschalten.

Der Grund, warum NTC gegenüber seinem Gegenstück, PTC (Positiver Temperaturkoeffizient), dominiert, ist die Empfindlichkeit. Ein NTC-Thermistor kann den Widerstand über einen Bereich von 50 °C um eine Größenordnung verändern. Aufgrund dieser Reaktionsfähigkeit sind sie billig, schnell und genau genug für die meisten Anwendungen, ohne dass ein spezieller Temperatur-IC erforderlich ist.

Wie funktionieren NTC-Thermistoren tatsächlich

NTC-Thermistoren werden typischerweise aus einer gesinterten Keramikmischung von Metalloxiden — Mangandioxid, Nickeloxid, Kobaltoxid und ähnlichen Materialien — hergestellt. Wenn Sie das Material erhitzen, gewinnen die Ladungsträger (Elektronen) an Energie und bewegen sich freier durch die kristalline Struktur. Mehr Ladungsträger, geringerer Widerstand.

Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur ist nichtlinear. Im Gegensatz zu einem Platin-RTD (der ungefähr linear ist) ist die Kurve eines NTC-Thermistors exponentiell. Diese Nichtlinearität ist sowohl ein Merkmal als auch ein Problem.

Die Mathematik dahinter

Das gängigste Modell für das Verhalten von NTC ist die Steinhart-Hart-Gleichung:

wobei $T$ die absolute Temperatur in Kelvin ist, $R$ der Widerstand in Ohm ist und $A$, $B$ und $C$ die vom Hersteller angegebenen Materialkonstanten sind.

Für schnelle Schätzungen oder wenn Sie nur grundlegende Spezifikationen haben, funktioniert das einfachere Beta-Modell:

Hier ist $R_0$ der Widerstand bei der Referenztemperatur $T_0$ (normalerweise 25 °C), und $\beta$ ist der Beta-Koeffizient des Thermistors, typischerweise 3000—4500 K für herkömmliche Geräte.

Das Beta-Modell ist einfacher, aber in weiten Temperaturbereichen weniger genau. Steinhart-Hart ist aufwändiger, verarbeitet aber 0°C bis 100°C mit hervorragender Genauigkeit, wenn Sie die Konstanten haben.

Ein echtes Beispiel: Messung der Raumtemperatur

Nehmen wir an, Sie bauen einen Hausautomationssensor mit einem 10 kΩ NTC-Thermistor. Das Datenblatt gibt Ihnen:

• Widerstand bei 25 °C: 10 kΩ
• Beta-Koeffizient: 3950 K
• Genauigkeit: ±1 °C typisch

Sie messen den Widerstand des Thermistors als 12,5 kΩ. Was ist die tatsächliche Temperatur?

Mit dem Beta-Modell:

Ihr Zimmer hat also ungefähr 20°C. Nicht schlecht. Um das zu überprüfen, macht das Sinn: Der Widerstand ist von 10 kΩ auf 12,5 kΩ, gestiegen, was bedeutet, dass die Temperatur unter 25 °C gefallen ist. Die Mathematik stimmt.

Verwenden Sie für den Produktionscode oder wenn Sie eine Temperatur von mehr als ±1 °C benötigen, die Steinhart-Hart-Gleichung mit drei Kalibrierungspunkten. Die meisten modernen Datenblätter enthalten die Koeffizienten.

Anzeige des Spannungsteilers

Sie messen den Widerstand nicht direkt in einem Mikrocontroller. Sie verwenden einen Spannungsteiler. Verdrahten Sie Ihren Thermistor in Reihe mit einem Festwiderstand, legen Sie eine bekannte Spannung an und messen Sie die Spannung am Thermistor mit einem ADC.

Neuordnung zur Lösung von $R_{NTC}$:

Wählen Sie $R_{fixed}$ in der Nähe des Widerstands des Thermistors in der Mitte Ihres Messbereichs. Wenn Sie 0—50 °C mit einem 10 kΩ @ 25°C-Thermistor messen, verwenden Sie einen 10 kΩ -Festwiderstand. Dadurch erhalten Sie die beste ADC-Auflösung.

Häufige Fehler

Selbsterwärmung

Die größte Falle. Strom, der durch den Thermistor fließt, erzeugt Wärme durch Joule-Erwärmung: $P = I^2 R$. Dadurch steigt die Temperatur des Thermistors über die tatsächliche Umgebungstemperatur, wodurch der Messwert beeinträchtigt wird.

Bei einem 10 kΩ -Thermistor, durch den 1 mA fließt, entspricht die Verlustleistung $P = (0.001)^2 \times 10000 = 0.01 \text{ W} = 10 \text{ mW}$. Das mag klein klingen, aber wenn die thermische Masse des Thermistors gering ist und er sich in ruhiger Luft befindet, können selbst 10 mW einen Fehler von 1—2 °C verursachen.

Halten Sie Ihren Messstrom möglichst unter 100 µA. Verwenden Sie einen höheren Festwiderstandswert und akzeptieren Sie eine etwas niedrigere ADC-Auflösung, oder verwenden Sie einen gepufferten ADC-Eingang.

Die Nichtlinearität wird ignoriert

Techniker gehen manchmal davon aus, dass sich der Thermistor linear verhält, und versuchen, eine einfache Nachschlagetabelle zwischen Spannung und Temperatur mit gleichmäßig verteilten Punkten zu verwenden. An den Extremwerten des Bereichs verstärkt sich der Fehler schnell. Verwenden Sie Steinhart-Hart oder zumindest das Beta-Modell. Eine 10-Punkte-Kalibrierungskurve ist besser, als so zu tun, als wäre sie linear.

Falsche Referenztemperatur

Der Beta-Koeffizient ist nur in der Nähe seines Referenzpunkts genau. Wenn in Ihrem Datenblatt $\beta$ bei 25 °C angegeben ist und Sie bei 0 °C oder 80 °C messen, kann der Fehler 2— 5% betragen. Verwenden Sie Steinhart-Hart-Koeffizienten, wenn Sie eine Genauigkeit außerhalb eines schmalen Bandes benötigen.

Thermische Zeitkonstante

NTC-Thermistoren haben eine thermische Masse. Ein typischer 1206 SMD-Thermistor benötigt 10—20 Sekunden, um das thermische Gleichgewicht in ruhiger Luft zu erreichen. Wenn Sie alle 100 ms eine Abtastung durchführen, verfolgen Sie ein sich bewegendes Ziel. Warten Sie entweder lange genug zwischen den Messungen oder verwenden Sie einen Tiefpassfilter für Ihre ADC-Samples. Die meisten Ingenieure überspringen das und fragen sich dann, warum ihre Temperaturwerte abweichen.

Die ADC-Quantisierung wird nicht berücksichtigt

Wenn Ihr ADC 10-Bit-fähig ist und der Spannungsteiler Ihres Thermistors nur 2 V aus einer 3,3-V-Schiene abdeckt, beträgt jeder ADC-Schritt etwa 3,2 mV. Abhängig von Ihren festen Widerstands- und Thermistorwerten kann dies 0,2 °C pro Schritt entsprechen. Lesen Sie das Datenblatt und rechnen Sie nach. Wenn es grob ist, verwenden Sie einen 12-Bit-ADC oder passen Sie Ihren Widerstandsteiler an.

Einschaltstrombegrenzung mit NTC

Es gibt noch eine zweite wichtige Anwendung für NTC-Thermistoren, die erwähnt werden sollte: Softstart-Stromversorgungen. Wenn Sie ein Gerät zum ersten Mal mit Strom versorgen, erscheinen die Eingangskonkondensatoren als Kurzschluss. Der Einschaltstrom kann das 10- bis 50-fache des stationären Stroms betragen, wodurch Bauteile beschädigt oder Leistungsschalter ausgelöst werden.

Ein NTC-Thermistor, der in Reihe mit dem Eingang angeordnet ist, dient als Strombegrenzer. Bei Raumtemperatur ist sein Widerstand hoch und begrenzt den Strom. Wenn Strom fließt, erwärmt sich der Thermistor (Selbsterwärmung), sein Widerstand sinkt und es fließt ein stationärer Strom. Wenn die Kondensatoren geladen sind, ist der Thermistor warm und hat einen niedrigen Widerstand, sodass der Spannungsabfall minimal ist.

Dies ist passiv, erfordert keine Steuerlogik und kostet ein paar Cent. Der Kompromiss ist die Verlustleistung im Thermistor selbst und ein etwas langsamerer Einschaltvorgang. Für die meisten Unterhaltungselektronikgeräte ist es die richtige Wahl.

Typische Werte und Auswahl

Allgemeine NTC-Thermistorwerte:

• 10 kΩ @ 25°C: Am gebräuchlichsten für allgemeine Temperaturmessungen. Weit verbreitet, gute Empfindlichkeit, angemessene ADC-Auflösung mit Standard-Teilerwiderständen.
• 100 kΩ @ 25 °C: Höhere Impedanz, geringere Eigenerwärmung, erfordert jedoch einen höheren Festwiderstand und eine sorgfältigere Leiterplattenanordnung, um eine Geräuschaufnahme zu vermeiden.
• 1 kΩ @ 25°C: Niedrigere Impedanz, höherer Strom, höhere Eigenerwärmung, aber einfachere ADC-Schnittstelle. Wird verwendet, wenn Sie das Rauschen minimieren möchten oder einen ADC-Eingang mit niedriger Impedanz haben.

Die Beta-Koeffizienten reichen in der Regel von 3000 K (flache Kurve, bessere Linearität) bis 4500 K (steile Kurve, höhere Empfindlichkeit). Für die Temperaturmessung ist 3950—4050 K der optimale Punkt.

Die Genauigkeit hängt davon ab, wie gut Sie kalibrieren. Ein blanker Thermistor ist typisch für ±5 °C. Mit einer Einpunktkalibrierung bei 25 °C können Sie ±2 °C erreichen. Eine Zweipunktkalibrierung (Eiswasser und kochendes Wasser) bringt Sie auf ±1 °C. Steinhart-Hart mit drei Koeffizienten aus dem Datenblatt: ±0,5 °C über einen Bereich von 50 °C.

Versuch es selbst

Wenn Sie mit einem NTC-Thermistor arbeiten und eine Widerstandsmessung in eine Temperatur umrechnen müssen, behandelt der NTC-Thermistor-Temperaturrechnersowohl Beta-Modell- als auch Steinhart-Hart-Gleichungen. Geben Sie Ihre Datenblattwerte ein, messen Sie den Widerstand und ermitteln Sie sofort die Temperatur. Keine Kopfrechnen erforderlich.

Für das Design der Einschaltstrombegrenzung überprüfen Sie den Inrush Current Limiter (NTC) Calculator, um den Thermistor zu dimensionieren und die Verlustleistung vorherzusagen.