อ่านสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของตัวต้านทานให้สัมพันธ์กับวงจร

วงจรที่ตั้งค่าได้ตรงในห้องอาจมีแรงดันเปลี่ยนเมื่อชิ้นส่วนอุ่นขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนเสีย สาเหตุหนึ่งคือค่าความต้านทานขึ้นกับอุณหภูมิ การอ่านข้อกำหนดนี้ให้ถูกต้องต้องแยกสามเรื่อง ได้แก่ค่าความคลาดตอนเริ่มต้น การเปลี่ยนค่าแบบกลับคืนได้ตามอุณหภูมิ และการเปลี่ยนถาวรหลังรับภาระ บทความนี้ใช้ตัวเลขสมมติสำหรับการวิเคราะห์วงจรแยกบนโต๊ะ เพื่อฝึกแปลงข้อมูลผู้ผลิตเป็นผลต่อสัญญาณที่อ่านได้

หน่วยส่วนในล้านส่วนต่อองศาบอกอะไร

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานมักย่อว่า TCR และแสดงเป็น ppm ต่อองศาเซลเซียส โดยหนึ่ง ppm คือหนึ่งในล้านของค่าอ้างอิง ถ้าใช้แบบจำลองเชิงเส้น R(T) = R0 × [1 + α × (T − T0)] ต้องแปลง α จาก ppm เป็นอัตราส่วนด้วยการคูณหนึ่งในล้านก่อน ค่า 100 ppm ต่อองศาจึงเท่ากับ 0.0001 ต่อองศา ไม่ใช่ 0.01 ต่อองศา การลืมแปลงหน่วยทำให้ประเมินความคลาดผิดได้หลายหลัก

เมื่อเอกสารระบุบวกลบ 100 ppm ต่อองศา ค่านั้นโดยทั่วไปเป็นขอบเขตตามเงื่อนไขที่กำหนด ไม่ได้บอกว่าทุกตัวจะเพิ่มค่าแน่นอน 100 ppm ต่อองศา และไม่ได้แปลว่ากราฟทุกช่วงเป็นเส้นตรงสมบูรณ์ ต้องตรวจช่วงอุณหภูมิ วิธีนิยาม และว่าผู้ผลิตให้เป็นขอบเขตหรือกราฟทั่วไป การใช้สมการเชิงเส้นจึงเป็นการประมาณที่มีช่วงใช้งาน ไม่ควรนำไปต่อกราฟไกลเกินช่วงที่ข้อมูลรองรับ

1. 1
   ค่าเดี่ยวเปลี่ยน

   TCR อธิบายการเปลี่ยน R เทียบค่าอ้างอิงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนในช่วงที่กำหนด

2. 2
   ทั้งคู่เท่ากัน

   ถ้า R บนและล่างเพิ่มด้วยสัดส่วนเดียวกัน อัตราส่วนแบ่งแรงดันยังคงเดิม

3. 3
   ร้อนต่างกัน

   หากเฉพาะ R บนอุ่นขึ้น อัตราส่วนแขนล่างลดลงและเอาต์พุตต่ำลง

ตัวต้านทานคู่เปลี่ยนสัดส่วนเท่ากันอาจยังแบ่งแรงดันเท่าเดิม แต่ความร้อนเฉพาะจุดทำให้อัตราส่วนเลื่อน

สถานการณ์สมมติ: ตัวต้านทานอุ่นขึ้น 50 องศา

สมมติตัวต้านทาน 10 กิโลโอห์มมีค่าสัมประสิทธิ์จริงเป็นบวก 100 ppm ต่อองศาในช่วงที่สนใจ และเริ่มที่ 25 องศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิชิ้นส่วนขึ้นถึง 75 องศา ความต่างเท่ากับ 50 องศา ความต้านทานเพิ่มโดยประมาณ 100 × 50 = 5000 ppm หรือ 0.5 เปอร์เซ็นต์ จึงเป็น 10050 โอห์ม ถ้าจ่ายแรงดันคงที่ 5 โวลต์ กระแสจะลดจาก 0.500 เป็นประมาณ 0.4975 มิลลิแอมป์ การคำนวณกระแสต้องใช้ค่า R ที่เปลี่ยนแล้ว ไม่ใช่หัก 0.5 มิลลิแอมป์ออกจากกระแสเดิม

หากโจทย์เปลี่ยนเป็นตัวต้านทานที่ทราบเพียงขอบเขตบวกลบ 100 ppm ต่อองศา จะกล่าวได้แค่ว่าผลจากอุณหภูมิอาจอยู่ในกรอบประมาณบวกลบ 0.5 เปอร์เซ็นต์ตามแบบจำลอง ยังสรุปไม่ได้ว่าค่าจะเพิ่ม การเปลี่ยนข้อความเล็กน้อยจากค่าจริงเป็นค่าขอบเขตทำให้คำตอบต้องเปลี่ยนด้วย นี่คือเหตุผลที่บันทึกการคำนวณควรระบุชนิดของข้อมูล ไม่เขียนเพียงตัวเลขลอย ๆ

ความร้อนที่เท่ากันกับการติดตามอัตราส่วน

สมมติวงจรแบ่งแรงดันใช้ตัวต้านทาน 10 กิโลโอห์มสองตัวและไฟ 5 โวลต์ ถ้าทั้งสองเพิ่มเท่ากันเป็น 10050 โอห์ม เอาต์พุตยังเป็น 2.500 โวลต์ เพราะอัตราส่วนไม่เปลี่ยน แต่ถ้ามีเพียงตัวบนร้อนขึ้นจนเป็น 10050 โอห์ม ขณะที่ตัวล่างยัง 10000 โอห์ม เอาต์พุตเป็น 5 × 10000 / 20050 หรือประมาณ 2.4938 โวลต์ ต่ำลงราว 6.2 มิลลิโวลต์ ดังนั้นการรู้ TCR ของค่าเดี่ยวยังไม่พอสำหรับวงจรที่อาศัยอัตราส่วน

คู่ตัวต้านทานที่ผู้ผลิตระบุการติดตามอุณหภูมิช่วยลดความต่างของการเปลี่ยนค่าเมื่ออยู่ในสภาพอุณหภูมิใกล้กัน แต่ถ้าชิ้นส่วนตัวหนึ่งอยู่ใกล้ตัวควบคุมแรงดันที่ร้อนกว่า อีกตัวอยู่ริมบอร์ดเย็นกว่า อุณหภูมิของสองตัวอาจต่างกัน การติดตามที่ดีภายใต้อุณหภูมิเดียวกันจึงไม่ใช่เหตุผลให้ละเลยตำแหน่งติดตั้ง เช่นเดียวกับกำลังในตัวต้านทานเองที่อาจทำให้ร้อนต่างกันแม้ใช้อากาศแวดล้อมเดียวกัน

1. 1
   อุณหภูมิเพิ่ม

   จาก 25°C เป็น 75°C ต่าง 50°C

2. 2
   แปลง ppm

   100 × 50 = 5000 ppm เท่ากับ 0.5% ทำให้ 10000 โอห์มเป็น 10050 โอห์ม

3. 3
   อุ่นเฉพาะตัวบน

   ไฟ 5 โวลต์ ตัวบน 10050 โอห์ม ตัวล่าง 10000 โอห์ม ให้ 5 × 10000 / 20050

4. 4
   ผลเอาต์พุต

   ได้ประมาณ 2.4938 โวลต์ ต่ำกว่าค่าเดิม 2.500 โวลต์ประมาณ 6.2 มิลลิโวลต์

สมมติสัมประสิทธิ์จริงเป็นบวกและคงที่ในช่วงที่อุณหภูมิเพิ่ม 50 องศา

วิธีนำไปใช้จัดงบความคลาดและตำแหน่งชิ้นส่วน

1. กำหนดอุณหภูมิชิ้นส่วนที่คาดว่าจะเกิด ไม่ใช้แค่อุณหภูมิห้องเมื่อชิ้นส่วนนั้นคายกำลังอย่างมีนัยสำคัญ
2. อ่านขอบเขต TCR และช่วงอ้างอิงของรหัสชิ้นส่วนจริง จากนั้นคำนวณการเปลี่ยนค่าแต่ละตัว
3. แทนค่าที่เปลี่ยนในสมการวงจรเพื่อดูผลต่อกระแส แรงดัน หรืออัตราขยาย แทนการประกาศว่าความคลาดวงจรเท่ากับ TCR โดยตรง
4. สำหรับตัวต้านทานที่ทำงานเป็นคู่ ให้ประเมินทั้งกรณีอุณหภูมิร่วมและความต่างอุณหภูมิ พร้อมตรวจข้อกำหนดการติดตามอัตราส่วน
5. จัดตำแหน่งให้ห่างแหล่งร้อนเฉพาะจุดเท่าที่โครงสร้างอนุญาต และบันทึกเหตุผลในการเลือกค่าหรือชนิดชิ้นส่วน

ข้อผิดพลาดในการวัดและขอบเขตของการตีความ

การวัดตัวต้านทานบนบอร์ดที่ยังมีไฟด้วยย่านโอห์มไม่ใช่วิธีติดตาม TCR ที่เหมาะสม ต้องแยกการวัดขณะทำงานออกจากการวัดความต้านทานเมื่อไม่มีไฟ หากใช้แรงดันและกระแสคำนวณ R ระหว่างทำงาน ต้องมั่นใจว่าค่าที่วัดเป็นของชิ้นส่วนนั้นจริง ไม่มีแขนงอื่นร่วมกระแส และความแม่นของเครื่องมือเพียงพอ ความต่างเล็กระดับไม่กี่โอห์มบนค่าหลายกิโลโอห์มอาจถูกบดบังด้วยความไม่แน่นอนของมิเตอร์

การเป่าลมร้อนจุดเดียวแล้วเห็นเอาต์พุตเปลี่ยนไม่ยืนยันว่าตัวต้านทานเป็นสาเหตุเดียว เพราะแหล่งจ่าย ออปแอมป์ จุดต่อโลหะ และเครื่องอ่านอาจได้รับความร้อนด้วย อีกทั้งอุณหภูมิผิวที่วัดไม่จำเป็นต้องเท่ากับอุณหภูมิชั้นความต้านทานทันที ควรใช้การเปลี่ยนสภาพแวดล้อมอย่างควบคุมในช่วงที่อุปกรณ์รองรับ และติดตามตัวแปรอื่นร่วมด้วย หากไม่ทราบอุณหภูมิจริงของชิ้นส่วนให้รายงานเป็นการสังเกตแนวโน้ม ไม่คำนวณย้อนเป็นค่า TCR ที่รับรอง

ตรวจสอบผลด้วยการกลับสู่อุณหภูมิอ้างอิง

บันทึกค่าเริ่มต้นเมื่อวงจรและเครื่องมือมีอุณหภูมิคงที่ จากนั้นติดตามค่าขณะชิ้นส่วนอุ่นขึ้นภายใต้ภาระปกติ และเมื่อกลับมาเย็นเท่าเดิม หากค่าเอาต์พุตกลับใกล้จุดเริ่มต้น ผลสนับสนุนการเปลี่ยนแบบขึ้นกับอุณหภูมิ แต่ยังต้องแยกผลของอุปกรณ์อื่น ถ้าความต้านทานเมื่อเย็นไม่กลับและคลาดเกินขอบเขตเดิม ให้พิจารณาการเปลี่ยนถาวร รอยต่อ หรือการวัดไม่ซ้ำเงื่อนไข การบันทึกอุณหภูมิ เวลา ภาระ และตำแหน่งวัดพร้อมกันทำให้ข้อสรุปตรวจทานได้มากกว่าคำว่าอุ่นแล้วเพี้ยน