Măsurarea cu precizie a temperaturii – Partea a IIa

3 OCTOMBRIE 2014

Termistoarele sunt senzori de temperatură din materiale semiconductoare ce pot avea schimbări mari în rezistență, proporționale cu mici modificări de temperatură. Termistoarele sunt o categorie extrem de precisă de senzori de temperatură. NTC arată că rezistența acestui tip de termistor va scădea odată cu creșterea temperaturii. Modul în care rezistența unui termistor scade este legat de o constantă cunoscută și dată în specificațiile tehnice, numită beta (β) sau B, măsurată în °K. Temperatura maximă de operare e cea la care termistorul va opera cu o stabilitate acceptabilă, pentru o perioadă de timp extinsă. Puterea maximă este cea mai mare putere la care un termistor va funcționa pentru o perioadă de timp, menținând în același timp stabilitatea.

(Urmare din numărul trecut)

Selectarea termistoarelor NTC

Termistoarele NTC se fabrică în diferite tipuri și poate fi dificilă selectarea celor mai bune variante de către proiectanții care utilizează termistoare NTC pentru prima dată, într-o aplicație.

Termistoarele NTC se aleg în funcție de:
• domeniul de aplicație, dimensiune, montare
• valoarea rezistenței nominale la 25°C
• caracteristica tensiune-curent
• caracteristica rezistență-temperatură și toleranța coeficientului Beta (β)
• constanta de timp și factorul de disipație a căldurii
• toleranța rezistenței (±1%, ± 5%, ±10%, ±20%, ± 25%)

Avantaje: Termistoarele NTC au sensibilitate ridicată, cost redus, gamă largă de temperaturi și sunt ușor de interfațat cu un modul de măsurare, chiar la o locație la distanță.
Dezavantaj: Ieșire neliniară, deci necesită componente suplimentare sau corecție software pentru liniarizare.

Notă: Toleranța coeficientului Beta (β)
Rezistența NTC variază cu temperatura: R = Ae(β/T), unde R=rezistența la temperatura T a termistorului, A=constantă de ecuație, β=constantă de material. Pentru a calcula Beta într-o gamă de temperatură T1 … T2 , se folosește relația:

Această relație are acuratețea de +0,5°C pe un domeniu de 50°C și joacă un rol în limitele de rezistență care trebuie să fie luate în considerare atunci când se hotărăște aplicația sa specifică.
Vezi: www.SpecSensors.com, capitolul NTC Thermistors, Engineering Notes.

Primul termistor NTC a fost descoperit în 1833 de către Michael Faraday, care a observat un comportament semiconductor al sulfurii de argint. Rezistența sulfurii de argint a scăzut dramatic când temperatura a crescut. Aceasta a fost, de asemenea, prima observație documentată a unui material semiconductor. Termistoarele produse pentru aplicații comerciale au apărut după inventarea lor de către Samuel Ruben, în anul 1930, iar denumirea a fost dată de Bell Telephone Laboratories – thermal resistors).

Aplicațiile de bază ale termistoarelor EPCOS SMD NTC

Măsurarea temperaturii cu precizie maximă este foarte importantă, în multe aplicații de electronică industrială și din domeniul auto. Modulele electronice cu o densitate mare de încapsulare trebuie să funcționeze normal până la limitele lor termice. Măsurarea precisă a temperaturii este absolut necesară pentru a iniția măsuri de protecție în timp util, în caz de supraîncălzire iminentă. Noile termistoare EPCOS SMD NTC, miniaturizate, stabile și foarte fiabile, permit măsurători foarte precise, pentru ca împreună cu circuite integrate inteligente, să permită realizarea de sisteme eficiente de protecție. Aceste termistoare SMD NTC sunt disponibile în capsule EIA 0402 și 0603, cu o rezistență nominală de 10 kΩ și clasele de toleranță ± 1%, ± 3% și ± 5%. Panta curbei R/T cu o valoare B=3455 K are o toleranță îngustă de ±1% și timp scurt de răspuns, astfel că aceste noi termistoare SMD NTC permit măsurarea precisă și rapidă a temperaturii într-o gamă largă. Seria standard este potrivită pentru aplicații până la +125°C. Componentele din seriile B57230 V2103*260 (EIA 0402) și B57330V2103*260 (EIA 0603), pot fi utilizate pentru o gamă largă de aplicații în aparate electronice de consum și industriale.

Seria pentru domeniul auto, dezvoltată în plus față de seriile standard, este calificată AEC-Q200 și este potrivită pentru lucrul până la +150°C, în aplicații electronice auto: unități electronice de control (ECU), sisteme de climatizare, monitorizarea temperaturii pe baterii sau sisteme de încărcare.
Vezi: http://www.epcos.com

Exemple de aplicații SMD NTC

1. Controlul precis al curentului de încărcare prin măsurarea rapidă a temperaturii
Monitorizarea încărcării corecte a bateriilor reîncăr­cabile, în dispozitive electronice mobile asigură viața lungă a bateriei. Temperatura maximă admisă la celulele bateriei se menține, nedepășind curentul maxim admisibil de încărcare.

Figura 1: La încărcarea rapidă a bateriei se folosesc 2 termistoare NTC. Se pot compensa diferențele extreme între temperatura ambiantă Temp1 și temperatura bateriei Temp2.

Curentul de încărcare încălzește celulele, dar la temperatura limită, curentul trebuie redus foarte precis și rapid, pentru a evita deteriorarea bateriei. La încărcare rapidă, trebuie măsu­rată și temperatura ambiantă, pentru a evita dife­rențele excesive dintre temperatura mediului și cea a celulelor. Un alt termistor NTC poate fi integrat direct pe placa de circuit a electronicii de încărcare.

2. Protejarea semiconductoarelor la supraîncălzire
Semiconductoare de putere, componente logice, MCU și MPU trebuie protejate de temperaturi excesive pentru a funcționa cu încredere. Datorită dimensiunii lor compacte (ex. capsula EIA 0402), noile termistoare SMD NTC pot fi integrate lângă

Figura 2: Circuit tipic de protecție pentru microcontrolere. La creșterea excesivă a temperaturii, termistorul NTC va reduce tensiunea de alimentare Vcc pentru MCU.

MCU și alte puncte fierbinți de pe placa de circuit. Un bun contact termic la placa de circuit prin terminalele de lipire și neglijabila auto-încălzire asigură monitori­zarea termică extrem de precisă a componentelor sensibile. Având rezistența ridicată la șoc termic, termistoarele EPCOS SMD NTC pot fi lipite prin reflow, dar și în val. Proiectanții pot plasa, termistoare pe o față a plăcii și MCU pe cealaltă, asigurând un contact termic foarte bun – și pentru MCU cu dimensiuni mari.

3. Maximizarea eficienței de iluminare a LED-rilor
Eficiența maximă de iluminare depinde de 4 factori:
a. Selectarea LED-urilor pentru a asigura: fluxul luminos cerut de aplicație, eficiența iluminării, temperatura de culoare și indicele de redare a culorilor.
b. Managementul termal: controlul temperaturii modulelor prin evacuarea căldurii pentru a menține iluminarea eficientă și culoarea.
c. Sursa de alimentare să aibă: densitate mare de putere/volum, putere maximă dată la temperatura maximă a mediului de lucru, corecția factorului de putere, protecții electrice și la factori de mediu, imunitate la perturbații electromagnetice și la descărcări electrice.
d. Elementul optic hotărăște: distribuția fluxului luminos cerut de aplicație și eficiența iluminării.

Managementul termal extinde durata de funcționare a LED-urilor

În sisteme de iluminat cu LED-uri, termistoarele EPCOS SMD NTC asigură eficiența luminoasă, dar, și o durată de viață lungă a LED-urilor. Eficiența iluminării cu LED-uri depinde foarte mult de temperatura joncțiunii semiconductoare.

Diagrama pentru un LED cu lumină albă cu flux luminos și eficiență foarte ridicate (de tip Cree® XM-L LED white, 2700 K – 5000 K – max.8300 K, alb cald și neutru, Tjoncțiune max. 150°C). Curentul maxim admis este determinat de rezistența termică între joncțiunea LED-ului și temperatura ambiantă. Vezi la CREE: www.cree.com. Similar: LED OSLON SSL 150, 2700 K – 5000 K (alb cald și neutru), temperatura maximă a joncțiunii 135°C, flux luminos și eficiență foarte ridicate. Vezi la OSRAM: www.osram.com

Temperaturile ridicate la extrem duc la degradarea rapidă de putere, la intensitate redusă, modificarea culorii, o durată de viață scurtată semnificativ și chiar defectare. Temperaturile prea scăzute reduc eficiența luminoasă.

Notă. Temperatura joncțiunii, modelată ca circuit rezistiv, depinde în principal de temperatura ambiantă: Tjoncțiune = Tambient + (Rja × PLED), unde Rja depinde mult și de rezistența termală între joncțiune și punctul de lipire, precum și de rezistența termală între LED și radiatorul pe care se montează. Pe scurt, căldura este condusă de la joncțiunea LED-ului către placa de circuit (PCB) și apoi, printr-un material de interfață (pentru a nu fi un strat de aer), la un radiator care o disipă prin convecție și radiație. Răcirea poate fi naturală sau forțată. Managementul termal este elementul cheie în alegerea radiatorului pentru LED-urile de mare putere, fiindcă 15% din energie devine lumină, iar restul 85% devine căldură care trebuie condusă rapid în afara joncțiunii. Vezi pagina: www.philipslumileds.com/technology/thermal

Figura 3: Controlul temperaturii extinde semnificativ durata de viață a LED-urilor. Termistorul măsoară temperatura LED-urilor, iar CTVS – Ceramic Transient Voltage Suppressor- este element de protecție.

Pentru a obține o eficiență maximă, temperatura trebuie menținută la un optim specificat – tipică pentru LED-uri, fiind între 70°C și 90°C. Dacă un termistor SMD NTC este integrat în aria de LED-uri, fiecare abatere de la temperatura optimă va determina o schimbare semnificativă de rezistență a elementului NTC. Prin compararea cu o referință, se comandă curentul prin LED-uri pentru a diminua pierderea de putere sub formă de căldură, extinzând astfel durata lor de viață a LED-urilor.

Managementul termal pentru LED-uri cere măsurarea temperaturii și răcirea prin disiparea căldurii

Un LED generează lumină, însă doar aprox. 15% din energia electrică este transformată în lumină, iar restul de 85% devine căldură. Dacă, însă, căldura excesivă generată în LED nu se transmite rapid prin diversele sale părți (bază și terminale) către exterior, i se ridică temperatura. Performanța unui LED este măsurată la 25°C în joncțiune, iar creșterea temperaturii joncțiunii are un efect negativ asupra duratei de viață și performanțelor sale. LED-ul funcționează uzual la o temperatură mare a joncțiunii (Tj), în jur de 80°C, deci fluxul de lumină dat, va fi întotdeauna mai mic decât valoarea sa nominală. LED-urile InGaN (albastru, verde, cyan și alb) suferă mai puțin din cauza încălzirii, având o degradare de aproximativ 5-20% din fluxul luminos, în timp ce funcționează la temperaturi ale joncțiunii între 60-80°C. LED-urile AlInGaP (galben și roșu) sunt mai sensibile și la temperaturi de 60-80°C, un LED roșu generează 25% mai puțină lumină, iar un LED chihlimbar generează 45% mai puțină lumină.

Poziția corectă pentru un senzor este pe lângă bază sau direct pe un pad de metal legat la baza LED-ului. Este recomandată o pastă conductoare sau lipire pentru a asigura transferul bun de căldură de la bază la senzor. Vezi Arctic Silver, Inc.: www.arcticsilver.com, Thermal Compounds.

Măsurarea temperaturii unui LED

Măsurare realistă și exactă a temperaturii e necesară pentru proiectarea corectă a unui sistem de răcire sau pentru a evalua un proiect existent. Fiabilitatea LED-urilor este un avantaj major în comparație cu sursele de lumină tradiționale, doar dacă se respectă temperatura de lucru. Senzorul se montează cât mai aproape posibil de LED, fără a fi în calea optică, fiindcă lumina (fotonii) va afecta măsurarea, dând rezultate extrem de inexacte.

Răcire naturală cu radiator

Simulările termice sunt bune pentru proiectarea rapidă și necostisitoare și pot da o bună reprezentare vizuală a disipației și a blocajelor căldurii și a deduce posibilele căi de îmbunătățire. Trebuie să fie cât mai multe ipoteze asupra condițiilor de funcționare, cunoscute și înțelese.

Radiatorul extrudat prezintă rezistența termală minimă în poziția verticală ce asigură circulația fluxului de aer cald. Altă orientare crește rezistența termală de până la 2,15 ori.

Radiatorul radial prezintă rezistența termală minimă în poziția verticală ce asigură circulația fluxului de aer cald. Altă orientare crește rezistența termală de până la 1,35 ori.

Vezi: www.cree.com nota de aplicații – Thermal management of Cree XLamp XB-D LEDs.

O simulare va da un răspuns, dar după optimizarea de design, se recomandă construirea unui prototip pentru a verifica cu exactitate performanța sa.

Răcire activă cu jet sintetic (SynJet) pentru corpuri de iluminat http://powerelectronics.com/thermal-management

Simulări comparative cu 2 tipuri de radiatoare de căldură (extrudat cu aripioare paralele și respectiv cu aripioare radiale) față de orientarea lor, arată că un radiator extrudat are performanță bună atunci când aripioarele sunt orientate pe verticală și fluxul de aer nu este restricționat să curgă în sus, departe de sursă. Datorită simetriei lui, radiatorul de căldură radial arată performanțe identice atunci când este montat cu aripioarele orizontale, și performanță mult mai bună atunci când este montat vertical, aerul cald din jurul aripioarelor putând curge în sus.

Termistoare EPCOS SMD NTC

( www.epcos.com)
1.Termistoare SMD NTC pentru aplicații cu LED-uri: iluminare cu LED la autovehicule (-40 … +150°C) sau iluminare generală cu LED (-40 … +125°C)
Caracteristici
• senzor de temperatură extrem de precis cu toleranța rezistenței scăzută până la ± 1%
• calificată în gama de produse AEC-Q200 pentru domeniul auto
• rezistă de la 10 kV până la 470 kV
• temperaturi de operare ridicate la +125°C (standard) și +150°C (auto)
• capsulă de mici dimensiuni EIA 0402 și 0603
• bibliotecă PSpice disponibilă

2. Termistoare SMD NTC de uz general – Componente pentru măsurarea temperaturii și compensare
Caracteristici
• dimensiuni încapsulare 0402, 0603 și 0805 (1206 la cerere)
• rezistă de la 1kV până la 680kV
• temperatură de operare: -55 … +125°C

3. Termistoare SMD NTC pentru măsurarea temperaturii și de compensare, în aplicații auto
Caracteristici
• calificată în gama de produse AEC-Q200 Rev D, pentru domeniul auto,
• dimensiuni încapsulare 0402, 0603 și 0805
• rezistă de la 4,7kV până la 100kV
• temperatură de operare: -40 … +150°C
Termistoarele EPCOS SMD NTC au stabilitate excelentă la îmbătrânire, pe termen lung, în mediu cu înaltă temperatură și cu umiditate ridicată; terminalele au barieră de nichel și lipire fără plumb.

SMD NTC EPCOS Seria B572**V5

seria automotive
Termistoare NTC pentru măsurarea temperaturii
Conforme standardului AEC-Q200 Rev-D
Capsula 0402 (1005)
Dimensiuni: 1.0 × 0.5 × 0.6 mm
Masa: aprox. 4.5 mg

Răcire activă. Vezi: www.vettecorp.com

Termistoare EPCOS SMD NTC ( www.epcos.com)

ECAS

ELECTRO ( www.ecas.ro) este distribuitor autorizat al produselor EPCOS ( www.epcos.com): Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Condensatoare (aluminiu – electrolitice, film, ceramice, de putere), Componente PFC (corecția factorului de putere), Componente și module RF/SAW, Senzori, Dispozitive de protecție, Componente piezoelectrice, Componente pentru aplicații de comutare și încălzire, Inductoare (bobine), Transformatoare, Componente EMC, Ferite și accesorii.

Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

Comentarii

Tudor spune:

Excelent articol!
Bravo!

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre