【電子回路】サーミスタを使った温度の測定方法

サーミスタとは?

電子回路の設計を行う場合は温度という問題を常に考えなければいけません。

室温を測定する機能として必要になるのはもちろんですが、回路を安定化させたり未然に重大な事故を防ぐのための電子回路自身を検出する方法というのは常に考えなければなりません。電子回路設計において回路を故障させないために温度を測定するという考え方は非常に重要になります。

回路自体の温度を検出する温度検出回路は過熱から回路を保護し、重大な事故を防ぐために非常に重要です。身近な例ではLED照明の温度監視やリチウムイオン電池の保護回路・冷却ファンの回転数制御など様々な製品に使われています。

温度検出を行う電子部品はいくつかありますが、サーミスタは他の温度センサよりもコストが安くて回路設計が容易であり、一般的なリードタイプの他に表面実装(SMD)タイプのものもあるため非常に使いやすいという利点があります。

サーミスタはどのように働く?

Arduinoを使ってサーミスタがどのような特性を持つか確認してみます。簡単な回路を構成してサーミスタがどのように振舞うか確認してみます。

サーミスタとプルアップ抵抗の温度検出回路を構成した。Arduinoから5Vを供給している。写真右の青いものがNTCサーミスタ。

はんだごてをサーミスタに近づけると急激に電圧が下がる。はんだごてを遠ざけると再び電圧は上がる。

この回路では電圧を読み込んでいるだけですが、実際に電圧レベルを温度に変換する場合は電圧と温度の関係をあらかじめ測定しておき、テーブル参照と補間処理をさせる必要があります。

サーミスタの種類

NTCサーミスタ(Negative Temperature Coefficient)

温度が上昇すると抵抗値が下がるタイプのサーミスタです。サーミスタと呼ばれるもののほとんどがNTCサーミスタです。

様々な形状のサーミスタがあり、価格も非常に安価で温度に対する感度が高いという利点があり、使用温度範囲も-50℃から150℃と幅広いことから、最も汎用的な温度検出電子部品です。

PTCサーミスタ(Positive Temperature Coefficient)

温度が上昇すると、ある温度で急激に抵抗値が増加するタイプのサーミスタです。ある温度範囲から急激に抵抗値が上昇する特性を持っています。温度測定のほかにも急激に抵抗値が上がる性質を利用して、過熱を検知して電流を制限する用途などにも使われます。

CTRサーミスタ(Critical Temperature Thermistor)

温度が上昇すると、ある温度で急激に抵抗値が減少するタイプのサーミスタです。

サーミスタの基本的な使い方

サーミスタを使用する回路の最小構成。抵抗と組み合わせて電圧をACコンバーターやICなどに読ませることで温度の変化を検出する。

サーミスタは温度の変化を抵抗値の変化で検出する電子部品のため、他の抵抗と組み合わせて電圧分圧し、温度の変化に依存した出力電圧を得られるようにします。

最も使われる回路構成は定電源にプルアップ抵抗またはプルダウン抵抗を介してサーミスタを接続する方法です。この方法はサーミスタを使う上で最も簡素な回路構成であり、必要に応じて直並列抵抗を追加したり、リニアライズICを使用したりします。

サーミスタの選び方

サーミスタは製品や取り付ける場所に応じて様々な種類がある、左上から時計回りに『光通信モジュール用』『自動車汎用』『自動車用』『バッテリー用』『家電・バッテリー用SMD』

温度検出回路の設計において初めに考えなければいけないことは、使用する温度範囲を確認することです。それぞれのサーミスタには最適な温度範囲があり、その範囲内でないと正常な温度検出が出来ません。また、他にも『実装方法』『コスト』『測定媒体(気体・液体・固体)』『精度』なども考慮する必要があります。

サーミスタは膨大な用途があり、それぞれ性能や使われる場所に応じて実装方式や形状など様々な種類があります。

サーミスタを探すならオンラインサイトが最適

RSコンポーネンツのサーミスタ検索ページ。メーカーや特性の他、使用する目的やパッケージまで詳しく検索できる

サーミスタは他の電子部品と異なり、必ず測定する対象物が存在します。それは室温かもしれませんし常に振動するモーターかもしれません、もしかしたら絶対に故障することが許されない電池の監視ICに使うサーミスタかもしれません。

サーミスタはそれらの被対象物に対して適切な温度計測が出来るように様々なパッケージで提供されています、更に特性の違いなども加えてしまえばより一層適切なサーミスタの選定は難しくなってしまいます。その中から適切なサーミスタを探すのは非常に手間なのでオンラインサービスを使うのが最も効率的です。