これは2部構成のシリーズの第1回です。この記事ではまず、サーミスタベースの温度温度測定システムの概要、および測温抵抗体（RTD）温度測定システムとの比較について説明します。また、サーミスタの選択、構成のトレードオフ、そしてこのアプリケーション分野におけるシグマデルタ型A/Dコンバータ（ADC）の重要性についても説明します。2つ目の記事では、最終的なサーミスタベースの測定システムを最適化および評価する方法を詳しく説明します。
前回の記事シリーズ「RTD温度センサーシステムの最適化」で説明したように、RTDは温度に応じて抵抗値が変化する抵抗器です。サーミスタはRTDと同様に動作します。正の温度係数のみを持つRTDとは異なり、サーミスタは正または負の温度係数を持つことができます。負の温度係数（NTC）サーミスタは温度が上昇すると抵抗値が低下しますが、正の温度係数（PTC）サーミスタは温度が上昇すると抵抗値が増加します。図1は、一般的なNTCサーミスタとPTCサーミスタの応答特性を示し、RTDの曲線と比較しています。
温度範囲に関して言えば、RTDの曲線はほぼ直線的です。サーミスタの非線形（指数関数的）な性質により、センサはサーミスタよりもはるかに広い温度範囲（通常-200℃～+850℃）をカバーします。RTDは通常、よく知られた標準化された曲線で提供されますが、サーミスタの曲線はメーカーによって異なります。この点については、この記事のサーミスタ選択ガイドのセクションで詳しく説明します。
サーミスタは、通常、セラミック、ポリマー、または半導体（通常は金属酸化物）と純金属（白金、ニッケル、または銅）の複合材料から作られています。サーミスタはRTDよりも速く温度変化を検知し、より高速なフィードバックを提供します。そのため、サーミスタは、低コスト、小型、高速応答、高感度、そして限られた温度範囲が求められる用途のセンサーに広く使用されています。例えば、電子機器制御、住宅・ビル制御、科学実験室、あるいは商用または産業用途における熱電対の冷接点補償などです。用途。
多くの場合、正確な温度測定にはPTCサーミスタではなくNTCサーミスタが使用されます。一部のPTCサーミスタは、過電流保護回路や安全用途のリセットヒューズとして使用できます。PTCサーミスタの抵抗温度曲線は、スイッチングポイント（キュリー点）に達する前に非常に小さなNTC領域を示します。この温度を超えると、抵抗は数℃の範囲で数桁急激に上昇します。過電流状態では、PTCサーミスタはスイッチング温度を超えると強い自己発熱を起こし、抵抗が急激に上昇します。これにより、システムへの入力電流が減少し、損傷を防ぎます。PTCサーミスタのスイッチングポイントは通常60℃～120℃であり、幅広い用途における温度測定の制御には適していません。この記事では、通常-80℃～+150℃の範囲の温度を測定または監視できるNTCサーミスタに焦点を当てます。 NTCサーミスタの抵抗定格は、25℃で数Ωから10MΩまでの範囲です。図1に示すように、サーミスタの1℃あたりの抵抗変化は、抵抗温度計よりも顕著です。サーミスタと比較して、サーミスタは高感度と高抵抗値であるため、リード抵抗を補正するための3線式や4線式などの特別な配線構成が不要で、入力回路が簡素化されます。サーミスタの設計では、シンプルな2線式構成のみを採用しています。
高精度サーミスタベースの温度測定には、図 2 に示すように、正確な信号処理、アナログからデジタルへの変換、線形化、および補償が必要です。
シグナルチェーンはシンプルに見えるかもしれませんが、実際にはマザーボード全体のサイズ、コスト、性能に影響を与える複雑な要素が存在します。ADIの高精度ADCポートフォリオには、AD7124-4/AD7124-8などの統合ソリューションが含まれており、アプリケーションに必要な構成要素のほとんどが内蔵されているため、熱システム設計に多くの利点をもたらします。しかしながら、サーミスタベースの温度測定ソリューションの設計と最適化には、様々な課題が存在します。
この記事では、これらの各問題について説明し、それらを解決し、そのようなシステムの設計プロセスをさらに簡素化するための推奨事項を示します。
多種多様なNTCサーミスタ今日の市場には様々なサーミスタが存在するため、用途に適したサーミスタを選ぶのは容易ではありません。サーミスタは公称値、つまり25℃における公称抵抗値で記載されていることに注意してください。したがって、10kΩのサーミスタは、25℃における公称抵抗が10kΩです。サーミスタの公称抵抗値（基本抵抗値）は、数オームから10MΩまでの範囲です。抵抗定格が低いサーミスタ（公称抵抗10kΩ以下）は、通常、-50℃～+70℃などの低い温度範囲をサポートします。抵抗定格が高いサーミスタは、最高300℃の温度に耐えることができます。
サーミスタ素子は金属酸化物で作られています。サーミスタには、ボール型、ラジアル型、SMD型があります。サーミスタビーズは、保護を強化するためにエポキシコーティングまたはガラス封止されています。エポキシコーティングされたボール型サーミスタ、ラジアル型、および表面型サーミスタは、最高150℃の温度範囲で使用できます。ガラスビーズ型サーミスタは、高温測定に適しています。あらゆる種類のコーティング/パッケージングは、腐食に対する保護にも役立ちます。一部のサーミスタには、過酷な環境での保護を強化するために、追加のハウジングが備えられています。ビーズ型サーミスタは、ラジアル型/SMD型サーミスタよりも応答時間が速いですが、耐久性は劣ります。したがって、使用するサーミスタの種類は、最終用途とサーミスタが設置される環境によって異なります。サーミスタの長期安定性は、その材質、パッケージング、および設計によって異なります。例えば、エポキシコーティングされたNTCサーミスタは年間0.2℃の温度変化が可能ですが、密封されたサーミスタは年間0.02℃の温度変化にとどまります。
サーミスタの精度は様々です。標準的なサーミスタの精度は通常、0.5℃～1.5℃です。サーミスタの抵抗定格とベータ値（25℃と50℃/85℃の比）には許容差があります。サーミスタのベータ値はメーカーによって異なりますのでご注意ください。例えば、10kΩのNTCサーミスタでも、メーカーによってベータ値は異なります。より高精度なシステムには、Omega™ 44xxxシリーズなどのサーミスタを使用できます。これらのサーミスタの精度は、0℃～70℃の温度範囲で0.1℃または0.2℃です。したがって、測定可能な温度範囲とその温度範囲で必要な精度によって、サーミスタがこのアプリケーションに適しているかどうかが決まります。Omega 44xxxシリーズの精度が高いほど、価格も高くなることにご注意ください。
抵抗を摂氏温度に変換するには、通常ベータ値が使用されます。ベータ値は、2つの温度点と各温度点における対応する抵抗値を知ることで決定されます。
RT1 = 温度抵抗 1 RT2 = 温度抵抗 2 T1 = 温度 1 (K) T2 = 温度 2 (K)
ユーザーは、プロジェクトで使用される温度範囲に最も近いベータ値を使用します。ほとんどのサーミスタのデータシートには、ベータ値に加えて、25°Cにおける抵抗値の許容差とベータ値の許容差が記載されています。
オメガ44xxxシリーズなどの高精度サーミスタおよび高精度終端ソリューションでは、スタインハート・ハートの式を用いて抵抗値を摂氏温度に変換します。式2では、センサメーカーから提供される3つの定数A、B、Cが必要です。式係数は3つの温度点を用いて生成されるため、結果として得られる式は線形化によって生じる誤差（通常0.02℃）を最小限に抑えます。
A、B、Cは3つの温度設定値から導かれる定数です。R = サーミスタ抵抗（オーム）、T = 温度（K度）
図3は、センサーの電流励起を示しています。駆動電流はサーミスタに印加され、同じ電流が精密抵抗器にも印加されます。精密抵抗器は測定の基準として使用されます。基準抵抗器の値は、サーミスタ抵抗器の最大値（システム内で測定される最低温度に応じて異なります）以上である必要があります。
励起電流を選択する際には、サーミスタの最大抵抗値も考慮する必要があります。これにより、センサーと基準抵抗器間の電圧が常に電子機器にとって許容可能なレベルに保たれます。フィールド電流源には、ある程度のヘッドルームまたは出力マッチングが必要です。測定可能な最低温度においてサーミスタの抵抗値が高い場合、駆動電流が非常に低くなります。そのため、高温時にサーミスタに発生する電圧は小さくなります。プログラマブルゲインステージを使用することで、このような低レベル信号の測定を最適化できます。ただし、サーミスタからの信号レベルは温度によって大きく変化するため、ゲインは動的にプログラムする必要があります。
もう一つの選択肢は、ゲインは設定しつつ、駆動電流を動的に変化させることです。この場合、サーミスタからの信号レベルが変化すると、駆動電流値が動的に変化し、サーミスタ両端に発生する電圧が電子機器の規定入力範囲内に収まるようになります。ユーザーは、基準抵抗両端に発生する電圧も電子機器が許容できるレベルにあることを確認する必要があります。どちらの選択肢も、電子機器が信号を測定できるように、サーミスタ両端の電圧を常に監視するという高度な制御が必要です。もっと簡単な方法はあるでしょうか？電圧励起を検討してみてください。
サーミスタにDC電圧を印加すると、サーミスタの抵抗値が変化すると、サーミスタを流れる電流が自動的に変化します。そこで、基準抵抗器の代わりに高精度測定抵抗器を使用し、サーミスタを流れる電流を計算してサーミスタ抵抗値を算出します。駆動電圧はADCの基準信号としても使用されるため、ゲイン段は不要です。プロセッサは、サーミスタ電圧を監視し、信号レベルが電子回路で測定可能かどうかを判断し、調整すべき駆動ゲイン/電流値を計算するという役割を担いません。この記事では、この手法を採用しています。
サーミスタの抵抗定格と抵抗範囲が小さい場合は、電圧または電流による励起が可能です。この場合、駆動電流とゲインは固定できます。したがって、回路は図3のようになります。この方法は、センサーと基準抵抗を流れる電流を制御できるという点で便利であり、低消費電力アプリケーションで特に役立ちます。さらに、サーミスタの自己発熱も最小限に抑えられます。
低抵抗定格のサーミスタには電圧励起も使用できます。ただし、センサを流れる電流がセンサまたはアプリケーションに対して高すぎないことを常に確認する必要があります。
大きな抵抗定格と広い温度範囲を持つサーミスタを使用する場合、電圧励起は実装を簡素化します。公称抵抗値が大きいほど、許容可能な定格電流レベルが得られます。ただし、設計者は、アプリケーションがサポートする温度範囲全体にわたって、電流が許容レベルであることを確認する必要があります。
シグマデルタADCは、サーミスタ測定システムを設計する際にいくつかの利点を提供します。まず、シグマデルタADCはアナログ入力を再サンプリングするため、外部フィルタリングが最小限に抑えられ、必要なのはシンプルなRCフィルタだけです。フィルタの種類と出力ボーレートを柔軟に選択できます。内蔵のデジタルフィルタリングにより、主電源駆動デバイスへの干渉を抑制できます。AD7124-4/AD7124-8などの24ビットデバイスは最大21.7ビットのフル分解能を備えているため、高い分解能を提供します。
シグマデルタ ADC を使用すると、サーミスタの設計が大幅に簡素化されるとともに、仕様、システムコスト、ボードスペース、市場投入までの時間が削減されます。
この記事では、PGA、リファレンス、アナログ入力、リファレンス バッファを内蔵した低ノイズ、低電流、高精度の ADC である AD7124-4/AD7124-8 を ADC として使用します。
駆動電流と駆動電圧のどちらを使用する場合でも、基準電圧とセンサー電圧が同じ駆動源から供給されるレシオメトリック構成が推奨されます。これにより、励起源の変化が測定精度に影響を与えることはありません。
図 5 はサーミスタと高精度抵抗器 RREF の一定の駆動電流を示しており、RREF で発生する電圧はサーミスタを測定するための基準電圧です。
この構成では、フィールド電流の誤差が排除されるため、フィールド電流の精度はそれほど高くなくても構いません。また、安定性が低くても構いません。一般的に、感度制御に優れ、センサーが遠隔地に設置されている場合のノイズ耐性が高いため、電圧励起よりも電流励起が好まれます。このタイプのバイアス方式は、抵抗値の低いRTDまたはサーミスタによく使用されます。ただし、抵抗値が高く感度が高いサーミスタの場合は、温度変化ごとに生成される信号レベルが大きくなるため、電圧励起が使用されます。例えば、10 kΩのサーミスタは、25°Cでは抵抗が10 kΩです。-50°Cでは、NTCサーミスタの抵抗は441.117 kΩです。 AD7124-4/AD7124-8が提供する最小駆動電流50µAは、441.117kΩ × 50µA = 22Vを生成しますが、これは高すぎて、このアプリケーションで使用されるほとんどのADCの動作範囲外です。また、サーミスタは通常、電子機器に接続または近接して配置されるため、駆動電流に対する耐性は必要ありません。
センス抵抗を分圧回路として直列に接続すると、サーミスタを流れる電流が最小抵抗値に制限されます。この構成では、センス抵抗RSENSEの値は、基準温度25℃におけるサーミスタ抵抗値と等しくする必要があります。これにより、出力電圧は公称温度25℃における基準電圧の中点に等しくなります。同様に、25℃で抵抗が10kΩのサーミスタを使用する場合、RSENSEは10kΩにする必要があります。温度が変化すると、NTCサーミスタの抵抗も変化し、サーミスタ両端の駆動電圧の比も変化するため、出力電圧はNTCサーミスタの抵抗に比例します。
サーミスタや RSENSE に電力を供給するために使用される選択された電圧リファレンスが、測定に使用される ADC リファレンス電圧と一致する場合、システムはレシオメトリック測定に設定され (図 7)、励起関連のエラー電圧源が除去されるようにバイアスされます。
センス抵抗器 (電圧駆動) または基準抵抗器 (電流駆動) のいずれかの初期許容誤差とドリフトは低く設定する必要があります。両方の変数がシステム全体の精度に影響を及ぼす可能性があるためです。
複数のサーミスタを使用する場合、励起電圧は1つで済みます。ただし、図8に示すように、各サーミスタには専用の高精度センス抵抗が必要です。別の方法として、外付けマルチプレクサまたは低抵抗スイッチをオン状態にすることで、1つの高精度センス抵抗を共有できます。この構成では、各サーミスタの測定時に一定のセトリングタイムが必要になります。
まとめると、サーミスタベースの温度測定システムを設計する際には、センサーの選択、センサーの配線、部品選択のトレードオフ、ADCの構成、そしてこれらの様々な変数がシステム全体の精度にどのように影響するかなど、考慮すべき点が数多くあります。このシリーズの次の記事では、目標性能を達成するためにシステム設計とシステム全体の誤差バジェットを最適化する方法について説明します。
投稿日時: 2022年9月30日