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采用溫度驅(qū)動(dòng)的NTC熱敏電阻器SPICE模型介紹

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2018-12-21 08:33 ? 次閱讀
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在目前市面上的NTC的經(jīng)典模型中,溫度仿真是使用嵌入式TEMP變量。這對(duì)研究電路在外部環(huán)境溫度變化時(shí)的一般響應(yīng)十分理想,但對(duì)評(píng)價(jià)傳感器對(duì)規(guī)定動(dòng)態(tài)溫度曲線的響應(yīng)卻不再有效。在溫度調(diào)節(jié)應(yīng)用中,瞬間狀態(tài)在電路設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。例如,PID穩(wěn)壓器的行為可能非常依賴于傳感器的熱惰性或響應(yīng)時(shí)間。

為解決該問(wèn)題,我們提出了一個(gè)新的模型,它使用的是連接至外部電壓的第三虛擬引腳處的溫度。對(duì)仿真而言,按照用戶的應(yīng)用需求,這個(gè)外部電壓代表的動(dòng)態(tài)溫度。用戶因此能夠通過(guò)改變?cè)撏獠侩妷簛?lái)隨意改變熱敏電阻器溫度。

以圖1上的電容器C(通過(guò)連接至固定電壓V2的固定電阻器R2充電)的指數(shù)式變化電壓為例。當(dāng)我們將該等電壓連接至熱敏電阻器模型的第三引腳Tin時(shí),圖2的仿真代表受到溫度階躍影響的熱敏電阻器的溫度變化。固定電阻器R2值代表熱敏電阻器的響應(yīng)時(shí)間,電容器的規(guī)定初始電壓代表初始熱敏電阻器溫度。二者均可由用戶調(diào)節(jié)。R2值范圍這里是1秒至10秒。

采用溫度驅(qū)動(dòng)的NTC熱敏電阻器SPICE模型介紹

圖1

采用溫度驅(qū)動(dòng)NTC熱敏電阻器的分壓器橋電路(溫度階躍為25°C至85°C)

圖2:仿真結(jié)果:上方是熱敏電阻器電壓V(NTC)/下方是熱敏電阻器溫度V(Tin)

對(duì)于復(fù)雜性增加,這個(gè)例子中的固定電壓可用描述在應(yīng)用中測(cè)得的溫度曲線的正弦波或分段線性電壓(帶文件)代替。熱敏電阻器將遵循該曲線,延遲由RC網(wǎng)絡(luò)確定。

在溫度調(diào)節(jié)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展該應(yīng)用,溫度驅(qū)動(dòng)/電壓驅(qū)動(dòng)式模型可連接至由應(yīng)用電路本身產(chǎn)生的電壓。該電壓必須代表由應(yīng)用產(chǎn)生的相等溫度。本例中構(gòu)建了一個(gè)溫度反饋回路來(lái)調(diào)節(jié)應(yīng)用中的溫度。

這個(gè)模型的一個(gè)實(shí)際用例是熱電冷卻器控制器的仿真,其中NTC反饋到電源來(lái)調(diào)節(jié)溫度。使用電壓控制熱敏電阻器,可用傳遞函數(shù)來(lái)仿真冷卻/散熱器和負(fù)載組合,并通過(guò)電壓將溫度反饋給NTC。

另一個(gè)例子是溫度-速度測(cè)量(thermo-velocimetric)火警探測(cè)器,其中使用熱敏電阻器溫度的上升速度來(lái)開(kāi)關(guān)控制晶閘管的Schmitt觸發(fā)器運(yùn)放。臨界溫度曲線(速度上升)可記錄在一個(gè)文件中,作為文本文件包含于仿真,并用于熱敏電阻器的虛擬溫度引腳。

通常,所提供的模型可用于任何溫度調(diào)節(jié)檢測(cè)、控制,或者用于可以仿真最終溫度并反饋到NTC熱敏電阻器,以便調(diào)節(jié)溫度的調(diào)節(jié)過(guò)程。例如,目前已能夠根據(jù)溫度傳感器的溫度響應(yīng),實(shí)時(shí)調(diào)整PID溫度控制器的比例、微分和積分常數(shù)。

所提供的熱敏電阻器模型是在六個(gè)不同電子仿真器中提供的,因?yàn)檎Z(yǔ)言語(yǔ)法因仿真器的不同而異。這些仿真器按字母順序排列如下:

-AltiumDesigner16.1

-Cadence?OrCAD?16.6(也經(jīng)過(guò)17.2版本的測(cè)試)

-LTspiceIV(也經(jīng)過(guò)LTspiceXVII64位版本的測(cè)試;不推薦LTspiceXVII32位版本)

-NI的Multisim14.0(有針對(duì)MultisimBlue的單獨(dú)版本)

-SIMetrix/SIMPLIS7.20k

-Tina-TIversion9

這些仿真在所有這些仿真器中都基于相同的原理并可立即使用。三引腳熱敏電阻器模型包含典型的感測(cè)電路,包括分壓器橋電路在內(nèi)。第三(僅為仿真)引腳通過(guò)RC電路(其RC常數(shù)是熱敏電阻器的響應(yīng)時(shí)間)連接至固定電壓源。

根據(jù)每個(gè)軟件的可用特性(分段線性電壓源、分段線性電壓文件等)可進(jìn)一步發(fā)展該電路。重要的是應(yīng)當(dāng)注意,與電壓驅(qū)動(dòng)/溫度驅(qū)動(dòng)式熱敏電阻器模型相關(guān)聯(lián)的所有導(dǎo)入問(wèn)題都已解決,無(wú)需用戶再費(fèi)時(shí)費(fèi)力,用戶將能把注意力完全集中于其自己的應(yīng)用。

該NTC熱敏電阻器SPICE模型的原始建模是在LTSpiceIV中進(jìn)行的。另外,除了一個(gè)用于熱敏電阻器的更復(fù)雜熱傳遞函數(shù)外,還有包括蒙特卡羅法容差和最壞情況分析的更多精致模型可用。

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