NTC サーミスタ:負温度センサの仕組み

NTC の実際の意味

NTC は負の温度係数の略です。温度が上がると電気抵抗が下がる材料特性です。それだけです。シンプルなコンセプトだが、使い方に問題がある。

ほとんどのエンジニアが NTC サーミスタを目にするのは、温度測定と突入電流制限の 2 つの場面です。1つ目は、おそらく「サーミスタ」と聞いて思い浮かべるものです。2 つ目は目に見えないことが多く、電源の PCB に静かに置かれることで、初めてデバイスの電源を入れたときの大電流サージから保護します。

NTC が反対の PTC (正の温度係数) よりも優勢な理由は、感度にあります。NTC サーミスタは 50°C の範囲で抵抗を桁違いに変化させることがあります。その応答性により、専用の温度ICを必要とせずに、ほとんどのアプリケーションで十分低コスト、高速、高精度を実現できます。

NTC サーミスタの実際の仕組み

NTC サーミスタは通常、二酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルトなどの金属酸化物を混ぜた焼結セラミックで作られています。材料を加熱すると、電荷キャリア (電子) がエネルギーを得て、結晶構造内をより自由に移動します。キャリアが多いほど抵抗は小さくなります。

抵抗と温度の関係は非線形です。プラチナ RTD (ほぼ線形) とは異なり、NTC サーミスタの曲線は指数関数的です。この非直線性は、特徴であると同時に落とし穴でもあります。

その背後にある数学

NTC 挙動の最も一般的なモデルは、スタインハート・ハルト方程式です。

ここで、 $T$ はケルビン単位の絶対温度、 $R$ はオーム単位の抵抗、 $A$ 、 $B$ 、および $C$ はメーカーが提供する材料定数です。

手っ取り早い見積もりや、基本仕様しかわからない場合は、よりシンプルなベータモデルの方が適しています。

ここで、 $R_0$ は基準温度 $T_0$ （通常は25°C）での抵抗値で、 $\beta$ はサーミスタのベータ係数（一般的なデバイスでは通常3000〜4500K）です。

ベータモデルはより単純ですが、広い温度範囲では精度が低くなります。Steinhart-Hartの方が手間がかかりますが、定数さえあれば、0°C～100°Cを非常に高い精度で処理できます。

実際の例:室温の測定

例えば、10 kΩ NTC サーミスタを使用してホームオートメーションセンサーを構築するとします。データシートには以下の内容が記載されています。

• 25℃での抵抗値:10 kΩ
• ベータ係数:3950 K
• 精度:±1°C（標準）

サーミスタの抵抗は12.5 kΩ. と測定していますよね。実際の温度はどのくらいですか？

ベータモデルの使用:

つまり、あなたの部屋は約20℃です。悪くありません。これが理にかなっていることを確認するには、抵抗が10 kΩ から12.5 kΩ, に上昇しました。つまり、温度が25°Cを下回ったということですが、計算が裏付けられています。

量産コードや ±1°C を超える温度が必要な場合には、3 つのキャリブレーションポイントをもつスタインハート・ハルト方程式を使用してください。最新のデータシートのほとんどには係数が含まれています。

分圧器の読み出し

マイクロコントローラで抵抗を直接測定することはできません。分圧器を使います。サーミスタを固定抵抗と直列に配線し、既知の電圧を印加し、ADC を使用してサーミスタの両端の電圧を測定します。

測定範囲の中間点にあるサーミスタの抵抗に近い $R_{fixed}$ を選択してください。10 kΩ @ 25°Cのサーミスタを使用して0～50℃を測定する場合は、10 kΩ の固定抵抗を使用してください。これによって ADC の分解能が最高になります。

よくある間違い

自己発熱

最大の落とし穴。サーミスタを流れる電流は、ジュール発熱によって熱を発生する ($P = I^2 R$)。これにより、サーミスタの温度が実際の周囲温度より高くなり、測定値が失われます。

1mAを流れる10 kΩ のサーミスタの場合、損失は $P = (0.001)^2 \times 10000 = 0.01 \text{ W} = 10 \text{ mW}$ です。これは小さく聞こえるかもしれませんが、サーミスタの熱質量が小さく、静止空気中にある場合は、10 mWでも1～2°Cの誤差が生じる可能性があります。

可能であれば、測定電流は 100 µA 未満に抑えてください。固定抵抗値を高くして少し低い ADC 分解能を使用するか、バッファ付き ADC 入力を使用してください。

非直線性を無視する

エンジニアは、サーミスタが直線的に動作すると想定して、ポイントが等間隔に配置された単純な電圧対温度ルックアップテーブルを使用しようとすることがあります。この誤差は、範囲が極端になると急速に悪化します。Steinhart-Hart モデルか、少なくともベータモデルを使用してください。線形のふりをするよりも、10点の検量線を使用する方が適切です。

基準温度が間違っています

ベータ係数は基準点付近でのみ正確です。データシートに25°Cで $\beta$ と記載されていて、0°Cまたは80°Cで測定している場合、誤差は2～ 5% になることがあります。狭帯域外の精度が必要な場合は、Steinhart-Hart係数を使用してください。

熱時定数

NTC サーミスタには熱質量があります。一般的な 1206 SMD サーミスタは、静止空気中で熱平衡状態に達するまでに 10 ～ 20 秒かかります。100 ミリ秒ごとにサンプリングする場合、移動するターゲットを追跡していることになります。読み取り間隔を十分に長くするか、ADC サンプルにローパスフィルターを使用してください。ほとんどのエンジニアはこれをスキップして、なぜ温度測定値がドリフトするのか疑問に思います。

ADC 量子化を考慮していない

ADC が 10 ビットで、サーミスタの分圧器が 3.3 V レールのうち 2 V しか広がっていない場合、ADC の各ステップは約3.2 mVになります。固定抵抗とサーミスタの値によっては、1 ステップあたり 0.2°C に相当する場合があります。データシートを読み、計算してください。粗い場合は、12 ビット ADC を使用するか、抵抗分圧器を調整してください。

NTC による突入電流制限

NTC サーミスタには、特筆すべき主な 2 つ目の用途があります。ソフトスタート電源です。初めてデバイスに電力を供給すると、入力コンデンサが短絡したように見えます。突入電流は定常電流の10～50倍になり、部品に損傷を与えたり、回路ブレーカーがトリップしたりすることがあります。

NTC サーミスタを入力と直列に接続すると、電流リミッタの役割を果たします。室温では抵抗値が高くなるため、電流が制限されます。電流が流れると、サーミスタが熱くなり (自己発熱)、抵抗値が下がり、定常状態の電流が流れます。コンデンサが充電される頃には、サーミスタは温かくて抵抗が低くなるため、電圧降下は最小限に抑えられます。

これは受動的で制御ロジックが不要で、コストも数セントかかります。トレードオフは、サーミスタ自体の消費電力と、パワーアップ時のトランジェントが少し遅くなることです。ほとんどの民生用電子機器にとって、これは正しい選択です。

一般的な値と選択

一般的な NTC サーミスタ値:

• 10 kΩ @ 25°C: 汎用の温度センシングで最も一般的です。標準の分圧器抵抗を使用すれば、広く利用でき、感度も良く、ADC の分解能も妥当です。
• 100 kΩ @ 25°C: インピーダンスは高く、自己発熱も低くなりますが、ノイズのピックアップを避けるためには、固定抵抗を高くし、PCBレイアウトを慎重に行う必要があります。
• 1 kΩ @ 25°C: インピーダンスが低く、電流が大きく、自己発熱量が多いが、ADCインターフェースはよりシンプルです。ノイズを最小限に抑えたい場合や、ADC 入力のインピーダンスを低くしたい場合に使用します。

ベータ係数は通常 3000 K (曲線が浅く、直線性が高い) から4500 K (曲線が急で感度が高い) までの範囲です。温度測定の場合、3950～4050 Kがスイートスポットです。

精度はキャリブレーションの精度によって異なります。ベアサーミスタの標準温度は±5℃です。25°Cで1点キャリブレーションを行うと±2°C、2点キャリブレーション（氷水と沸騰水）では±1°Cになります。Steinhart-Hartは、データシートにある3つの係数（50°Cの範囲で±0.5°C）を示しています。

自分で試してみてください

NTC サーミスタを使用していて、抵抗値を温度に変換する必要がある場合は、NTC サーミスタ温度計算ツールがベータモデルとスタインハートハート方程式の両方に対応します。データシートの値を入力して抵抗を測定すれば、すぐに温度がわかります。暗算は不要です。

突入電流制限設計については、突入電流制限器 (NTC) 計算ツールを参照してサーミスタのサイズを決定し、電力損失を予測してください。