Есть ли у термистора полярность. Что такое термистор его применение в электронике. Применение термистора в роли активного датчика

Узнайте о термисторах и о том, как запрограммировать Arduino для измерения их данных.

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как некоторые устройства, такие как термостаты, нагревательные площадки 3D принтеров, автомобильные двигатели и печи измеряют температуру? В этой статье вы можете это узнать!

Знать температуру может быть очень полезно. Знание температуры может помочь регулировать температуру в помещении до комфортного значения, гарантировать, что нагревательная площадка 3D принтера была достаточно горячей, чтобы такие материалы, как ABS, прилипали к ее поверхности, а также предотвратить перегрев двигателя или не допустить сжигания приготавливаемой еды.

В данной статье мы рассматриваем только один тип датчика, способного измерять температуру. Этот датчик называется термистором.

Термистор обладает сопротивлением, которое намного сильнее зависит от температуры, чем сопротивление других типов резисторов.

Мы буде использовать Arduino для измерения и обработки показаний термистора, после чего мы преобразуем эти показания в удобный для чтения формат единиц измерения температуры.

Ниже приведена фотография термистора, который мы собираемся использовать:

Необходимые компоненты

Комплектующие

• Arduino (Mega или Uno или любая другая модель);
• несколько перемычек;
• паяльник и припой (возможно, понадобится, если ваш термистор не будет влезать в разъемы на плате Arduino).

Программное обеспечение

• Arduino IDE

Теория

При типовом использовании резистора вы не хотите, чтобы его сопротивление менялось при изменении температуры. Это не реально в реальной жизни, можно лишь обеспечить небольшое изменение сопротивления при большом изменении температуры. Если бы это было не так, то резисторы странно влияли бы на работу схем, например, светодиод мог бы светиться намного ярче или тусклее по мере изменения температуры окружающей среды.

Но что, если вы действительно хотите, чтобы яркость светодиода была функцией температуры? Здесь появляется термистор. Как вы могли догадаться, у термистора сопротивление сильно изменяется при небольшом изменении температуры. Чтобы проиллюстрировать это, ниже приведена кривая изменения сопротивления термистора:

На рисунке показаны лишь единицы измерения без фактических значений, так как диапазон сопротивлений зависит от типа конкретного термистора. Как вы можете заметить, по мере увеличения температуры сопротивление терморезистора уменьшается. Это является отличительным свойством резистора с отрицательным температурным коэффициентом (Negative Temperature Coefficient), или, кратко, NTC термистора.

Существуют также терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (Positive Temperature Coefficient, PTC), сопротивление которых увеличивается по мере роста температуры. Однако, PTC термисторы имеют своего рода точку перелома и сильно меняют сопротивление при некоторой температуре. Это делает взаимодействие с PTC термисторами чуть более сложным. По этой причине в большинстве дешевых измерителей температуры предпочтительнее использовать NTC термисторы.

В оставшейся части статьи, как вы можете догадаться, мы будем говорить о терморезисторах типа NTC.

Четыре подхода к нахождению формулы для построения кривой

Теперь, когда мы лучше понимаем поведение термисторов, вы можете удивиться, как мы можем использовать Arduino для измерения температуры. Кривая на графике выше нелинейна и, следовательно, простое линейное уравнение нам не подходит (на самом деле мы можем вывести уравнение, но об этом позже).

Так что же делать?

Прежде чем продолжить, подумайте, как бы вы это сделали на Arduino или даже в схеме без микропроцессорных компонентов.

Существует несколько способов решения этой проблемы, которые перечислены ниже. Это далеко не полный список всех методик, но он покажет вам некоторые популярные подходы.

Метод 1

Некоторые производители предоставляют настолько полную информацию, что в ней содержится весь график, отображающий определенные диапазоны целочисленных значений температуры и сопротивления (типовые значения). Один такой термистор может быть найден в техническом описании от компании Vishay .

Как, имея такие подробные данные, можно было бы реализовать измерение температуры на Arduino. Вам нужно было бы жестко прописать в коде все эти значения в огромной таблице поиска или очень длинных структурах управления " switch...case " или " if...else ".

А если производитель не удосужился предоставить подробную таблицу, то вам придется самостоятельно измерить каждую точку для формирования такой таблицы. Этот день будет для программиста довольно уныл. Но этот метод не так уж и плох и имеет место в использовании. Если текущий проект проверяет лишь несколько точе или даже небольшой диапазон, этот способ может быть предпочтительным. Например, одна такая ситуация возникает, если вы хотите измерить, находятся ли значения выбранных диапазонах температур, и зажечь светодиод для индикации этого состояния.

Но в нашем проекте мы хотим измерять температуру в почти непрерывном диапазоне и отправлять показания на монитор последовательного порта, поэтому этот метод использовать не будем.

Метод 2

Вы можете попытаться «линеаризовать» реакцию термистора, добавив к нему дополнительную схему.

Одним из популярных способов выполнения этого является подключение резистора параллельно термистору. Некоторые микросхемы предлагают сделать это за вас.

Определение того, как выбрать и линеаризовать участок кривой, вместе с выбором правильного номинала резистора - это тема для отдельной статьи. Этот подход хорош, если микропроцессор не может вычислять выражения с плавающей запятой (например, PICAXE), поскольку он упрощает реакцию в некотором диапазоне температур до линейного характера. Это также упрощает проектирование схемы, в которой нет микропроцессора.

Но у нас в этой статье микропроцессор используется, и мы хотим измерять температуру во всем диапазоне.

Метод 3

Вы можете взять данные из таблицы в техническом описании или (если нравятся извращения) сформировать собственную таблицу, выполнив самостоятельные измерения и воссоздав график в чем-то типа Excel. Затем вы можете использовать функцию подгонки кривой для создания формулы этой кривой. Это неплохая идея, и вся выполненная работа даст красивую формулу, которую вы сможете использовать в программе. Но это займет некоторое время для предварительной обработки данных.

Хотя это разумный подход, мы не хотим зависеть от анализа всех этих данных. Кроме того, каждый термистор немного отличается (но, конечно, это не проблема, если допуск довольно низок).

Метод 4

Оказывается, есть общая формула для подгонки кривой, предназначенная для устройств типа термисторов. Она называется уравнением Штейнхарта-Харта. Ниже представлена его версия (в других версиях используются члены во второй и степени):

\[\frac{1}{T}=A+B\ln(R)+C(\ln(R))^3\]

где R - сопротивление терморезистора при температуре T (в Кельвинах).

Это общее уравнение кривой, подходящее для всех типов NTC термисторов. Аппроксимация связи температуры и сопротивления «достаточно подходит» для большинства применений.

Обратите внимание, что уравнение нуждается в константах A, B и C. Для разных термисторов они различаются и должны быть либо заданы, либо вычислены. Поскольку мы имеем три неизвестных, вам необходимо выполнить три измерения сопротивления при определенных температурах, которые затем могут быть использованы для создания трех уравнений и определения значений этих констант.

Даже для тех из нас, кто хорошо знают алгебру, это всё еще слишком трудоемко.

Вместо этого, есть еще более простое уравнение, которое менее точно, но содержит только одну константу. Эта константа обозначена как β, и поэтому уравнение называется β-уравнением.

\[\frac{1}{T}=\frac{1}{T_o}+(\frac{1}{\beta})\cdot\ln\left(\frac{R}{R_o}\right)\]

где R 0 - сопротивление при контрольной температуре T 0 (например, сопротивление при комнатной температуре). R - сопротивление при температуре T. Температуры указываются в Кельвинах. β обычно указывается в техническом описании; а если нет, то вам необходимо только одно измерение (одно уравнение) для расчета этой константы. Это уравнение я буду использовать для взаимодействия с нашим термистором, поскольку оно является самым простым из тех, с которыми я столкнулся, и не нуждается в линеаризации реакции термистора.

Измерение сопротивления с помощью Arduino

Теперь, когда мы выбрали метод построения кривой, мы должны выяснить, как реально измерить сопротивление с помощью Arduino, прежде чем мы сможем передать информацию о сопротивлении в β-уравнение. Мы можем сделать это используя делитель напряжения:

Это будет наша схема взаимодействия с термистором. Когда термистор определит изменение температуры, это отразится на выходном напряжении.

Теперь, как обычно, мы используем формулу для делителя напряжения.

Но нам неинтересно выходное напряжение V выход, нас интересует сопротивление термистора R термистор. Поэтому мы выразим его:

Это намного лучше, но нам необходимо измерить наше выходное напряжение, а также напряжение питания. Так как мы используем встроенный АЦП Arduino, то можем представить напряжение, как числовое значение на определенной шкале. Итак, конечный вид нашего уравнения показан ниже:

Это работает потому, что не имеет значения, как мы представляем напряжение (в вольтах или в цифровых единицах), эти единицы сокращаются в числителе и знаменателе дроби, оставляя безразмерное значение. Затем мы умножаем его на сопротивление, чтобы получить результат в омах.

D max у нас будет равно 1023, так как это самое большое число, которое может выдать наш 10-разрядный АЦП. D измеренное - это измеренное значение аналого-цифровым преобразователем, которое может быть в диапазоне от нуля до 1023.

Всё! Теперь можно приступить к сборке!

Соберем это

Я использовал термистор TH10K.

Также я использовал резистор 10 кОм в качестве R баланс в нашем делителе напряжения. Константы β у меня не было, поэтому я рассчитал ее сам.

Ниже приведена полная схема устройства. Она довольно проста.

А так выглядит конечный макет:

Код программы для Arduino

Код снабжен большим количеством комментариев, чтобы помочь вам понять логику программы.

В основном он измеряет напряжение на делителе, вычисляет температуру, а затем показывает ее в терминале последовательного порта.

Для забавы добавлены также некоторые операторы " if...else ", чтобы показать, как вы можете действовать в зависимости от диапазона температур.

Возможные следующие шаги

Всё в данной статье показывает довольно простой способ измерения температуры с помощью дешевого термистора. Есть еще пара способов улучшить схему:

• добавить небольшой конденсатор параллельно выходу делителя. Это стабилизирует напряжение и может даже устранить необходимость усреднения большого количества выборок (как было сделано в коде) - или, по крайней мере, мы сможете усреднять меньшее количество выборок;
• использовать прецизионные резисторы (допуск меньше 1%), чтобы получить более предсказуемые измерения. Если вам критична точность измерений, имейте в виду, что самонагревание термистора может повлиять на измерения; в данной статье самонагрев не компенсируется.

Конечно, термисторы - это только один из датчиков, используемых для измерения температуры. Другой популярный выбор - это микросхемы датчиков (пример работы с одной из них описан ). В этом случае вам не придется иметь дело с линеаризацией и сложными уравнениями. Два других варианта - это термопара и инфракрасный тип датчика; последний может измерять температуру без физического контакта, но он уже не так дешев.

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Электроника чувствительна к качеству электропитания. При скачках напряжения в сети компоненты выходят из строя. Чтобы снизить вероятность такого исхода — используют . Это компоненты с нелинейным сопротивлением, которое в нормальном состоянии очень большое, а под воздействием импульса высокого напряжения резко снижается. В результате устройство поглощает всю энергию импульса. В этой статье мы расскажем, как проверить варистор на исправность и отличить сгоревший от целого.

Причины неисправности

Варисторы устанавливают параллельно защищаемой цепи, а последовательно с ним ставят предохранитель. Это нужно для того, чтобы, когда варистор сгорит, при слишком сильном импульсе перенапряжения сгорел предохранитель, а не дорожки печатной платы.

Единственной причиной выхода из строя варистора является резкий и сильный . Если энергия этого скачка большая, чем может рассеять варистор — он выйдет из строя. Максимальная рассеиваемая энергия зависит от габаритов компонента. Они отличаются диаметром и толщиной, то есть, чем они больше — тем больше энергии способен рассеять варистор.

Скачки напряжения могут возникать при авариях на ЛЭП, во время грозы, при коммутации мощных приборов, особенно индуктивной нагрузки.

Способы проверки

Любой ремонт электроники и электрооборудования начинается с внешнего осмотра, а потом переходят к измерениям. Такой подход позволяет локализовать большую часть неисправностей. Чтобы найти варистор на плате посмотрите на рисунок ниже — так выглядят варисторы. Иногда их можно перепутать с конденсаторами, но можно отличить по маркировке.

Если элемент сгорел и маркировку прочесть невозможно — посмотрите эту информацию на схеме устройства. На плате и в схеме он может обозначаться буквами RU. Условное графическое обозначение выглядит так.

Есть три способа проверить варистор быстро и просто:

1. Визуальный осмотр.
2. Прозвонить. Это можно сделать муьтиметром или любым другим прибором, где есть функция прозвонки цепи.
3. Измерением сопротивления. Это можно сделать омметром с большим пределом измерений, мультиметром или мегомметром.

Варистор выходит из строя, когда через него проходит большой или длительный ток. Тогда энергия рассеивается в виде тепла, и если её количество больше определённого конструкцией — элемент сгорает. Корпус этих компонентов выполняется из твердого диэлектрического материала, типа керамики или эпоксидного покрытия. Поэтому при выходе из строя чаще всего повреждается целостность наружного покрытия.

Можно визуально проверить варистор на работоспособность — на нем не должно быть трещин, как на фото:

Следующий способ — проверка варистора тестером в режиме прозвонки. Сделать это в схеме нельзя, потому что прозвонка может сработать через параллельно подключенные элементы. Поэтому нужно выпаять хотя бы одну его ножку из платы.

Важно: не стоит проверять элементы на исправность не выпаивая из платы – это может дать ложные показания измерительных приборов.

Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра.

На большинстве мультиметров режим прозвонки совмещен с режимом проверки диодов. Его можно найти по значку диода на шкале селектора режимов. Если рядом с ним есть знак звуковой индикации — в нем наверняка есть и прозвонка.

Другой способ проверки варистора на пробой мультиметром является измерение сопротивления. Нужно установить прибор на максимальный предел измерения, в большинстве приборов это 2 МОма (мегаомы, обозначается как 2М или 2000К). Сопротивление должно быть равным бесконечности. На практике оно может быть ниже, в пределах 1-2 МОм.

Интересно! То же самое можно сделать мегаомметром, но он есть далеко не у каждого. Стоит отметить, что напряжение на выводах мегаомметра не должно превышать классификационное напряжение проверяемого компонента.

На этом заканчиваются доступные способы проверки варистора. В этот раз мультиметр поможет радиолюбителю найти неисправный элемент, как и в большом количестве других случаев. Хотя на практике мультиметр в этом деле не всегда нужен, потому что дело редко заходит дальше визуального осмотра. Заменяйте сгоревший элемент новым, рассчитанным на напряжение и диаметром не меньше чем был сгоревший, иначе он сгорит еще быстрее предыдущего.

Материалы

Неприхотливость и относительная физическая устойчивость позисторов позволяет их использовать в роли датчика для автостабилизирующихся систем, а также реализовать защиту от перегрузки. Принцип работы этих элементов заключается в том, что их сопротивление увеличивается при нагреве (в отличие от термисторов, где оно уменьшается). Соответственно, при проверке тестером или мультиметром позисторов на работоспособность, необходимо учитывать температурную корреляцию.

Определяем характеристики по маркировке

Широкая сфера применения РТС-термисторов подразумевает их обширный ассортимент, поскольку характеристики этих устройств должны соответствовать различным условиям эксплуатации. В связи с этим для тестирования очень важно определить серию элемента, в этом нам поможет маркировка.

Для примера возьмем радиокомпонент С831, его фотография показана ниже. Посмотрим, что можно определить по надписям на корпусе детали.

Учитывая надпись «РТС», можно констатировать, что данный элемент является позистором «С831». Сформировав запрос в поисковике (например, «РТС С831 datasheet»), находим спецификацию (даташит). Из нее мы узнаем наименование (B59831-C135-A70) и серию (B598*1) детали, а также основные параметры (см. рис. 3) и назначение. Последнее указывает, что элемент может играть роль самовосстанавливающегося предохранителя, защищающего схему от КЗ (short-circuit protection) и перегрузки (overcurrent).

Расшифровка основных характеристик

Кратко рассмотрим, данные приведенные в таблице на рисунке 3 (для удобства строки пронумерованы).

Краткое описание:

1. значение, характеризующее максимальный уровень рабочего напряжения при нагреве устройства до 60°С, в данном случае он соответствует 265 В. Учитывая, что нет определения DC/AC, можно констатировать, что элемент работает как с переменным, так и постоянным напряжением.
2. Номинальный уровень, то есть напряжение в штатном режиме работы – 230 вольт.
3. Расчетное число гарантированных производителем циклов срабатывания элемента, в нашем случае их 100.
4. Значение, описывающее величину опорной температуры, после достижения которой происходит существенное увеличение уровня сопротивления. Для наглядности приведем график (см. рис. 4) температурной корреляции.

Как видно на графике, R резко возрастает в диапазоне от 130°С до 170°С, соответственно, опорной температурой будет 130°C.

1. Соответствие номинальному значению R (то есть допуск), указывается в процентном соотношении, а именно 25%.
2. Диапазон рабочей температуры для минимального (от -40°С до 125°С) и максимального (0-60°С) напряжения.

Расшифровка спецификации конкретной модели

Это были основные параметры серии, теперь рассмотрим спецификацию для С831 (см. рис. 5).

Краткая расшифровка:

1. Величина тока для штатного режима работы, для нашей детали это почти половина ампера, а именно 470 мА (0,47 А).
2. Этот параметр указывает ток, при котором величина сопротивления начинает существенно меняться в большую сторону. То есть, когда через С831 протекает ток с силой 970 мА, срабатывает «защита» устройства. Следует заметить, что этот параметр связан с точкой температурного перехода, поскольку проходящий ток приводит к разогреву элемента.
3. Максимально допустимая величина тока для перехода в «защитный» режим, для С831 это 7 А. Обратите внимание, что в графе указано максимальное напряжение, следовательно, можно рассчитать допустимую величину мощности рассеивания, превышение которой с большой вероятностью приведет к разрушению детали.
4. Время срабатывания, для С831 при напряжении 265 вольт и токе 7 ампер оно составит менее 8 секунд.
5. Величина остаточного тока, необходимого для поддерживания защитного режима рассматриваемой радиодетали, она 0,02 А. Из этого следует, что на удержание сработавшего состояния требуется мощность 5,3 Вт (I r x V max).
6. Сопротивление устройства при температуре 25°С (3,7 Ом для нашей модели). Отметим, с измерения мультиметром этого параметра начинается проверка позистора на исправность.
7. Величина минимального сопротивления, у модели С831 это 2,6 Ом. Для полноты картины, еще раз приведем график температурной зависимости, где будут отмечены номинальное и минимальное значение R (см. рис. 6).

Обратите внимание, что на начальном этапе нагрева радиодетали ее параметр R незначительно уменьшается, то есть в определенном диапазоне температур у нашей модели начинают проявляться NTS свойства. Эта особенность, в той или иной мере, характерна для всех позисторов.

1. Полное наименование модели (у нас B59831-C135-A70), данная информация может быть полезной для поиска аналогов.

Теперь, зная спецификацию, можно переходить к проверке на работоспособность.

Определение исправности по внешнему виду

В отличие от других радиодеталей (например, таких как транзистор или диод), вышедший из строя РТС-резистор часто можно определить по внешнему виду. Это связано с тем, что вследствие превышения допустимой мощности рассеивания нарушается целостность корпуса. Обнаружив на плате позистор с таким отклонением от нормы, можно смело выпаивать его и начинать поиск замены, не утруждая себя процедурой проверки мультиметром.

Если внешний осмотр не дал результата, приступаем к тестированию.

Пошаговая инструкция проверки позистора мультиметром

Для процесса тестирования, помимо измерительного прибора, потребуется паяльник. Подготовив все необходимое, начинаем действовать в следующем порядке:

1. Подключаем тестируемую деталь к мультиметру. Желательно, чтобы прибор был оснащен «крокодилами», в противном случае припаиваем к выводам элемента проволоку и накручиваем ее на разные иглы щупов.
2. Включаем режим измерения наименьшего сопротивления (200 Ом). Прибор покажет номинальную величину R, характерную для тестируемой модели (как правило, менее одного-двух десятков Ом). Если показание отличается от спецификации (с учетом погрешности), можно констатировать неисправность радиокомпонента.
3. Аккуратно нагреваем корпус тестируемой детали при помощи паяльника, величина R начнет резко увеличиваться. Если она осталась неизменной, элемент необходимо менять.
4. Отключаем мультиметр от тестируемой детали, даем ей остыть, после чего повторяем действия, описанные в пунктах 1 и 2. Если сопротивление вернулось к номинальному значению, то радиокомпонент с большой долей вероятности можно признать исправным.