Como um termistor é usado para medir temperatura: funcionamento, circuitos, aplicações

Quando você liga uma fritadeira de ar quente e ela desliga no momento certo, ou uma panela elétrica de arroz desce para se manter aquecida exatamente quando o grão absorveu água suficiente, um pequeno componente está pensando no aparelho. Esse componente é o termistor, um resistor de dois terminais cuja resistência muda com a temperatura. Este artigo explica como um termistor é usado para medir temperatura: o princípio físico que o faz funcionar, o circuito que lê sua resistência, a matemática que converte essa leitura em temperatura e os detalhes práticos que decidem se a medição permanece precisa ao longo dos anos de uso.

Uma resistência que muda com a temperatura

Conclusão primeiro: um termistor NTC mede a temperatura porque sua resistência cai de maneira conhecida e repetível à medida que a temperatura aumenta. Essa única propriedade é o que transforma um componente passivo em um sensor.

Um termistor é feito de materiais semicondutores cerâmicos, geralmente óxidos metálicos, sinterizados em um pequeno cordão, chip ou disco. Existem duas famílias. Os termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) diminuem a resistência à medida que a temperatura aumenta; termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentam a resistência e são mais frequentemente usados ​​para proteção contra sobrecorrente ou aquecedores autorreguláveis. Para medição de temperatura, o tipo NTC domina.

A mudança é grande o suficiente para ser lida sem eletrônicos elaborados. Um termistor NTC típico de 10 kΩ classificado para 25°C mede cerca de 33,6 kΩ a 0°C e cerca de 700 Ω a 100ºC - uma oscilação de quase 50 para 1 em toda a faixa onde a maioria dos eletrodomésticos opera. Um Sensor de temperatura NTC portanto, precisa apenas de uma entrada analógica básica em um microcontrolador, enquanto um termopar exigiria amplificação e compensação de junta fria. Esta combinação de sinal grande, baixo custo e tamanho pequeno é a razão pela qual os termistores aparecem em quase todos os aparelhos com temperatura controlada.

Como um microcontrolador lê o termistor

Conclusão primeiro: um microcontrolador lê um termistor através de um divisor de tensão, porque um conversor analógico-digital (ADC) mede a tensão, não a resistência.

O arranjo padrão conecta o termistor e um resistor fixo em série através do trilho de alimentação, com o nó de medição entre eles. O ADC mede a tensão do nó e a resistência é calculada a partir dessa tensão. Se o termistor estiver no lado baixo e o resistor fixo no lado alto:

Vou = Vcc × Rfixo / (Rtermistor fixo)

Quando o termistor aquece e sua resistência cai, mais tensão de alimentação cai no resistor fixo, então Vout aumenta. Quando esfria, Vout cai.

Uma cadeia de medição prática tem quatro partes:

• Uma tensão de alimentação estável, normalmente 3,3 V ou 5 V
• Um resistor fixo com tolerância restrita, de preferência 1% ou melhor
• O termistor NTC em um pacote adequado ao ambiente operacional
• Um ADC com resolução suficiente para distinguir a menor etapa de temperatura com a qual o projeto se preocupa

Um termistor NTC típico de 10 kΩ com um valor B de 3950, emparelhado com um resistor fixo de 10 kΩ e uma alimentação de 5 V, produz estas leituras:

Observe o espaçamento irregular: entre 0°C e 25°C a saída muda 1,35 V, enquanto entre 75°C e 100°C muda apenas 0,32 V. A sensibilidade é naturalmente maior em temperaturas mais baixas. Os projetistas aceitam isso, reorganizam o divisor para direcionar a sensibilidade em direção à janela operacional ou corrigem-no no firmware porque a curva é suave e repetível.

Convertendo resistência em temperatura

Conclusão primeiro: uma vez conhecida a resistência, três métodos padrão convertem-na em temperatura: uma tabela de consulta, a equação do parâmetro B ou a equação de Steinhart-Hart. A escolha é um compromisso entre simplicidade, uso de memória e precisão.

Tabela de pesquisa (tabela RT)

Os fabricantes publicam uma tabela de resistência versus temperatura para cada tipo de sensor. O firmware armazena essa tabela, encontra as duas entradas que delimitam a resistência da corrente e interpola linearmente entre elas. Este é o método mais rápido em um microcontrolador pequeno e o mais comum em placas de controle de eletrodomésticos. O problema é que a tabela deve corresponder ao valor B do sensor. O emparelhamento de uma mesa B = 3435 com um sensor B = 3950 produz erros de vários graus em ambas as extremidades da faixa.

Equação do Parâmetro B

Para uma faixa de temperatura moderada, a resistência segue:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298,15)]

onde T está em Kelvin, R25 é a resistência a 25°C e B é a constante do material, normalmente entre 3.000 K e 5.000 K para termistores NTC. Esta equação precisa apenas de duas constantes e é simples de implementar. Ele perde precisão quando a amplitude excede aproximadamente 50°C, mas dentro de uma janela estreita é a maneira mais rápida de estimar a temperatura sem uma tabela.

Equação de Steinhart-Hart

Para obter a faixa mais ampla e a melhor precisão, a equação de Steinhart-Hart é a escolha padrão:

1/T = AB × ln(R) C × (ln R)^3

Os três coeficientes, A, B e C (não confundir com a constante do material acima), são ajustados à curva medida do sensor. Com bons coeficientes, esta equação se mantém dentro de alguns centésimos de grau em toda a extensão nominal. Um microcontrolador avalia algumas vezes por segundo, portanto o custo computacional é insignificante.

Qualquer que seja o método utilizado, o próprio sensor carrega tolerância. Um termistor NTC padrão tem uma tolerância de resistência de cerca de ±1% a 25°C e uma tolerância de valor B de ±1%, que juntas se traduzem em aproximadamente ±0,5°C a ±1°C de erro a 100°C. Se o projeto precisar de maior precisão, especifique um sensor de qualidade superior ou execute uma calibração de um ponto na linha de produção.

Considerações práticas que decidem a precisão real

Conclusão primeiro: a precisão da medição de um termistor é decidida tanto pelas condições de instalação e operação quanto pelo próprio elemento sensor. Em aparelhos reais, quatro fatores causam a maior parte dos erros.

Autoaquecimento. A corrente de polarização aquece o sensor ligeiramente acima do meio medido, criando um erro persistente. Mantenha a dissipação de energia abaixo de aproximadamente 1 mW para um sensor de esfera de vidro. Como referência, um sensor de 10 kΩ em um divisor de 10 kΩ com alimentação de 3,3 V dissipa cerca de 0,27 mW a 25°C - seguro, mas fácil de exceder se a tensão de alimentação for aumentada ou o resistor fixo for muito maior.

Correspondência de valor B. Dois sensores com a mesma resistência a 25°C, mas com valores B diferentes, leem o mesmo à temperatura ambiente e divergem progressivamente dela. Confirme se o valor B do sensor de produção corresponde à caracterização no firmware; uma incompatibilidade é uma causa raiz comum do comportamento "bom a 25°C, errado a 90°C".

Embalagem e tempo de resposta. O elemento de cerâmica pura responde em uma fração de segundo, mas o encapsulamento o retarda. Os grânulos revestidos com epóxi reagem rapidamente e se adequam ao movimento do ar seco através de um elemento de aquecimento; sondas seladas de metal ou silicone são mais lentas, mas sobrevivem à água, vapor e agentes de limpeza. A seleção de uma sonda selada para aplicação úmida ou de um cordão de epóxi rápido para fluxo de ar é tão importante quanto a especificação elétrica.

Colocação. O termistor mede sua própria temperatura local. Deve ficar o mais próximo possível do ponto que está sendo controlado - o elemento de aquecimento, a cavidade de cozimento ou o líquido que está sendo aquecido. Alguns milímetros de separação, uma corrente de ar de um ventilador ou um suporte de metal grosso que absorve o calor podem alterar a leitura em vários graus.

Um sistema de termistor adequado para eletrodomésticos, especificado e instalado com esses quatro fatores em mente, mantém sua calibração por anos. Esse nível de previsibilidade é o que os fabricantes confiam quando constroem um algoritmo de controle em torno de um componente de baixo custo.

Medição de termistores em eletrodomésticos reais

Em aparelhos de produção, o termistor nunca funciona isoladamente. Ele se conecta à placa de controle por meio de um chicote elétrico, e o conector, os fios condutores e o isolamento fazem parte do sistema de medição. Um sensor com terminais soltos ou isolamento rachado produz leituras intermitentes que nenhuma calibração pode corrigir. Os fabricantes, portanto, avaliam o sensor, o chicote e o conector como um conjunto, e não como peças separadas.

Em uma fritadeira de ar quente, o sensor NTC monitora a cavidade de cozimento e reporta ao controlador, que liga o aquecedor para manter a temperatura definida. O sensor deve reagir rapidamente e permanecer estável em grandes oscilações de temperatura; um sensor lento causa excesso e escurecimento irregular.

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Uma chaleira elétrica é um teste diferente. O sensor é montado na placa de aquecimento com selo térmico e o firmware monitora um rápido aumento de temperatura. Se o acoplamento térmico enfraquecer, a chaleira poderá continuar aquecendo além do ponto de ebulição antes que o controlador reaja. Um elemento de resposta rápida combinado com uma estrutura de montagem confiável é o que faz com que uma chaleira elétrica desligue sempre de maneira confiável.

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Uma panela elétrica de arroz leva o mesmo princípio adiante. O sensor fica sob a panela interna e o controlador observa a taxa de aumento da temperatura para decidir quando a água foi absorvida e, em seguida, reduz a energia para mantê-la aquecida. É uma aplicação clássica de termistor: um sensor de baixo custo, um divisor simples e uma curva bem caracterizada trabalhando juntos para produzir um resultado de cozimento consistente. A mesma abordagem aparece em fabricantes de leite de soja, processadores de alimentos e panelas de pressão elétricas.

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Do ponto de vista de aquisição, a questão prática não é se os termistores medem bem a temperatura - eles medem - mas se o sensor fornecido é caracterizado pela curva R-T correta, embalado para o ambiente real e entregue com fiação que resista à montagem e ao uso diário. Escolhendo um fabricante de chicote elétrico e sensor de temperatura NTC que controla todos esses elementos em conjunto evita os problemas de incompatibilidade que aparecem depois que os produtos chegam ao campo.

O resultado final

Um termistor mede a temperatura porque sua resistência segue uma curva repetível e bem compreendida. A cadeia é curta: um divisor de tensão converte a resistência em tensão, um ADC digitaliza essa tensão e uma tabela de consulta ou a equação de Steinhart-Hart a converte em temperatura. A precisão real vem dos detalhes que as equações não mostram – autoaquecimento, correspondência do valor B, embalagem, posicionamento e fiação que conecta o sensor ao controlador. Lide com esses detalhes adequadamente e um componente que custa alguns centavos por unidade manterá um aparelho dentro de um ou dois graus de sua meta durante anos de operação diária.