溫度由電壓驅動(dòng)的多仿真器NTC熱敏電阻器SPICE模型

        在目前市面上的NTC熱敏電阻器的經(jīng)典SPICE模型中，溫度仿真是使用嵌入式TEMP變量。這對研究電路在外部環(huán)境溫度變化時(shí)的一般響應十分理想，但對評價(jià)傳感器對規定動(dòng)態(tài)溫度曲線(xiàn)的響應卻不再有效。在溫度調節應用中，瞬間狀態(tài)在電路設計中扮演著(zhù)重要角色。例如，PID穩壓器的行為可能非常依賴(lài)于傳感器的熱惰性或響應時(shí)間。

　　為解決該問(wèn)題，我們提出了一個(gè)新的SPICE模型，它使用的是連接至外部電壓的第三虛擬引腳處的熱敏電阻器溫度。對仿真而言，按照用戶(hù)的應用需求，這個(gè)外部電壓代表熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)溫度。用戶(hù)因此能夠通過(guò)改變該外部電壓來(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)的指數式變化電壓為例。當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時(shí)間，電容器的規定初始電壓代表初始熱敏電阻器溫度。二者均可由用戶(hù)調節。R2值范圍這里是1秒至10秒。

　　圖1

　　采用溫度驅動(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)

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

　　在溫度調節領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展該應用，溫度驅動(dòng)/電壓驅動(dòng)式模型可連接至由應用電路本身產(chǎn)生的電壓。該電壓必須代表由應用產(chǎn)生的相等溫度。本例中構建了一個(gè)溫度反饋回路來(lái)調節應用中的溫度。

　　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)調節溫度。使用電壓控制熱敏電阻器，可用傳遞函數來(lái)仿真冷卻/散熱器和負載組合，并通過(guò)電壓將溫度反饋給NTC。

　　另一個(gè)例子是溫度-速度測量(thermo-velocimetric)火警探測器，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)器運放。臨界溫度曲線(xiàn)(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節檢測、控制，或者用于可以仿真最終溫度并反饋到NTC熱敏電阻器，以便調節溫度的調節過(guò)程。例如，目前已能夠根據溫度傳感器的溫度響應，實(shí)時(shí)調整PID溫度控制器的比例、微分和積分常數。

　　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，因為SPICE語(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：

　　- Altium Designer 16.1

　　- Cadence® OrCAD® 16.6(也經(jīng)過(guò)17.2版本的測試)

　　- LTspice IV(也經(jīng)過(guò)LTspice XVII 64位版本的測試;不推薦LTspice XVII 32位版本)

　　- NI的 Multisim 14.0(有針對Multisim Blue的單獨版本)

　　- SIMetrix/SIMPLIS 7.20k

　　- Tina-TI version 9

　　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電路，包括分壓器橋電路在內。第三(僅為仿真)引腳通過(guò)RC電路(其RC常數是熱敏電阻器的響應時(shí)間)連接至固定電壓源。

　　根據每個(gè)軟件的可用特性(分段線(xiàn)性電壓源、分段線(xiàn)性電壓文件等)可進(jìn)一步發(fā)展該電路。重要的是應當注意，與電壓驅動(dòng)/溫度驅動(dòng)式熱敏電阻器模型相關(guān)聯(lián)的所有導入問(wèn)題都已解決，無(wú)需用戶(hù)再費時(shí)費力，用戶(hù)將能把注意力完全集中于其自己的應用。

　　該NTC熱敏電阻器SPICE模型的原始建模是在LTSpice IV中進(jìn)行的。另外，除了一個(gè)用于熱敏電阻器的更復雜熱傳遞函數外，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。欲知有關(guān)本文所述模型和仿真的更多信息，請發(fā)送電子郵件至edesign.ntc@vishay.com。

　　作者：Alain Stas， Vishay Intertechnology非線(xiàn)性電阻器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師

　　Alain Stas現任Vishay非線(xiàn)性電阻器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師，此前在布魯塞爾自由大學(xué)(ULB)研究生物技術(shù)過(guò)程的數學(xué)建模。Alain擁有布魯塞爾自由大學(xué)物理學(xué)和土木工程理學(xué)碩士學(xué)位，專(zhuān)業(yè)是固態(tài)電子學(xué)。