I Trasduttori NTC o TERMISTORI - Materiale

Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo Lez. 5 I Trasduttori NTC o TERMISTORI I termistori NTC sono sensori realizzati mediante semiconduttori costruiti con ossidi di metalli(ferro, cobalto e nichel) opportunamente drogati. Nel termistore NTC la resistenza del sensore diminuisce esponenzialmente all’aumentare della temperatura secondo una legge esponenziale decrescente.
æ
R T (T ) = R 0 × exp çç B ×
è
æ æ 1 1 ö ö
T 0 - T ö
÷÷ = R 0 × exp ç B × çç - ÷÷ ÷
ç
÷
T 0 × T ø
è è T T 0 ø ø
® RT(T) é la resistenza del termistore alla temperatura generica T;
® R0 é la resistenza del termistore alla temperatura di T0 =20°C;
® B è una costante dimensionale caratteristica del termistore e in base al tipo di termistore preso in considerazione è compresa nell’intervallo [2000:­5500] Kelvin
® T0 é la temperatura di riferimento fornita dal costruttore espressa in K infatti T0=20°C=273+20=293K. Come si può notare dall’espressione della dipendenza della resistenza con la temperatura la legge non é lineare ma esponenziale decrescente al crescere della temperatura. Affinché si possa rendere tale dipendenza della resistenza con la temperatura lineare é necessario linearizzare tale relazione. Il costruttore fornisce una formula empirica che impone il calcolo di una resistenza RL detta di linearizzazione.
pag.1 Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo Lez. 5 æ B - 2 × T medio ö
÷÷ parallelo
è B + 2 × T medio ø
R L = R ( T medio ) × çç
æ B + 2 × T maedio ö
÷÷ serie
è B - 2 × T medio ø
R L = R ( T medio ) × çç
® RL é la resistenza di linearizzazione.
® R(Tmedio) é il valore della resistenza alla temperatura media T media =
T max + T min 2 ® B é la costante del sensore NTC in Kelvin.
pag.2
Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo Lez. 5 Il circuito a destra realizza la conversione temperatura­tensione e la linearizzazione é realizzata mediante la resistenza RL. Il ponte di Wheastone realizza la trasformazione temperatura tensione mentre il ruolo di R1 serve per bilanciare il ponte. A sinistra sono riportati gli andamenti della resistenza con la temperatura per due NTC aventi B diversi ed il circuito di condizionamento a ponte. Progetto Si progetti un circuito di condizionamento di un termistore NTC K25 ­ 1k che fornisca una tensione d'uscita di O V + 5 V per variazioni di temperatura comprese nel range 20 °C + 80 °C. Le caratteristiche elettriche della NTC sono: • potenza a 60 °C 400 mW; • temperatura di riferimento T0 = 20 °C;
pag.3 Lez. 5 Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo • campo di temperatura [ ­ 25 : 100] °C. Utilizzando l’espressione della dipendenza della resistenza dalla temperatura si possono tabulare i valori assunti dal sensore NTC nel campo di funzionamento per incrementi di temperatura DT costanti. T[°C] 20 30 40 50 60 70 80 K25­1K 1000 671 463 326 235 172 129 Ad esempio per =DT 10 °C si trovano i valori riportati nella tabella 2.1. Utilizzando la relazione di linearizzazione si può facilmente calcolare la resistenza RL=230,7W (valore commerciale 220W). Vediamo il circuito di condizionamento. II circuito di condizionamento comprensivo di resistenza di linearizzazione è riportato in figura seguente. L'integrato LM336­5V fornisce la tensione di riferimento di 5V. L'amplificatore operazionale di potenza alimenta il ponte di Wheatstone ed eroga l'opportuna intensità di corrente assorbita dal ponte, l'amplificatore per strumentazione AD524 è utilizzato per definire il fattore di scala. Poiché la massima intensità di corrente assorbita dalla NTC si ha quando è T= 80 °C, per evitare effetti di autoriscaldamento, si ipotizza di far dissipare al sensore una potenza di 50 mW. Se la tensione di alimentazione è uguale a 5 V, la potenza dissipata dalla NTC è:
pag.4 Lez. 5 Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo I NTC (80 °C ) =
5 5 =
@ 14 mA 220 + 129 349 La potenza dissipata dal 2
termistore vale: P NTC = R NTC × I NTC = 129 × (14 × 10 -3 ) = 25 mW < 400 mW 2 Poiché la tensione d’uscita V0 dell’AD524 deve essere uguale a 5V e quella d’ingresso VAB(80°C)=2,25V, il guadagno G e la resistenza RG sono rispettivamente uguali a:­ G = V 0
5 = 2 , 22 . V AB ( 80 °C ) 2 , 25 G = 1 +
R G = =
Essendo per 2 × R 2 × 20 K W
40 × 10 3 si =
+ 1 = 1 +
R G R G R G 40 × 10 3 40 × 10 3 =
= 32 , 75 K W (val. comm. 27KW+10KW)
G - 1 2 , 25 - 1 pag.5 L’AD524 ha:
Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo Lez. 5 Altro esempio Med i an t e g l i NTC p o s s o n o es s er e r eal i zzat i i m i s u r at o r i d i f l u s s o (p o r t at a) c o m e i n d i c at o n el l a f i g u r a s eg u en t e. Un a r es i s t en za p er c o r s a d a c o r r en t e r i s c al d a d eb o l m en t e i l f l u i d o : a f l u i d o f er m o , en t r am b i g l i NTC s en t o n o l a s t es s a t em p er at u r a e i l p o n t e è b i l an c i at o ; q u an d o i l f l u i d o è i n m o v i m en t o , i l t r as p o r t o d i en er g i a t er m i c a è m ag g i o r e n el l a d i r ezi o n e d el m o t o , i l r es i s t o r e NTC a v al l e s i s c al d a m ag g i o r m en t e d i q u el l o a m o n t e e i l p o n t e s i s b i l an c i a. L a t en s i o n e d i u s c i t a è, en t r o c er t i l i m i t i , p r o p o r zi o n al e al f l u s s o .
pag.6 Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo Lez. 5 I termistori PTC Tra i termistori ricordiamo anche gli PTC(positive temperature coefficient) che hanno un coefficiente positivo per i quali al crescere della temperatura si determina un aumento della resistenza. Riportiamo nella figura seguente l’andamento di un PTC in confronto con l’andamento di un NTC e di termoresistenza. Si nota come il PTC e l’NTC abbiano una sensibilità nettamente superiore alla sensibiltà della termoresistenza che necessita dunque di grosse amplificazioni.
pag.7