サーミスタ

サーミスタ(THERMalとresISTORの合成語)は抵抗器とよく似た電子部品ファミリですが、抵抗値の温度依存性が強く出るように意図的に設計されています。一般的には、温度上昇に伴い抵抗値がそれぞれプラスとマイナスに変化するPTC(Positive Temperature Coefficient)とNTC(Negative Temperature Coefficient)の2種類があります。サーミスタは温度センサとして使われるのが一般的ですが、それ以外にもさまざまな用途で使われていることがわかります。この多様な使用法により、それぞれの目的に最適化され、動作が大幅に異なるデバイスが生まれたため、特定のユースケースでデバイスを選択する際には、細部に注意を払うことが非常に重要です。

温度センサとして使用されるサーミスタの一般的な利点は、比較的低コストであり、精度が高く、非常に小さいパッケージで入手できることです。代表的な欠点としては、他のセンシング技術に比べ、温度応答が非常に非線形であること、使用温度範囲が限定されていることなどが挙げられます。

PTCサーミスタ

PTCサーミスタと呼べるデバイスは、その構成や挙動が多岐にわたるため、分類や特性評価がやや複雑になります。PTCサーミスタ温度センサファミリのデバイスは、温度測定や温度検出の用途に最適化され、特性評価されることが多く、PTCリセッタブルヒューズファミリのデバイスは、回路保護デバイスとして使用するために特性評価されることが多いようです。

製品属性

PTCサーミスタを選択する際に、メーカー、パッケージ、物理的形状といった決まりきった事項のほかに、4つの製品属性があります(以下に記述)。

25°Cでの抵抗

このパラメータは、デバイス温度25°Cで測定したときの製品の公称抵抗値を表しています。しかし、同一品番の個体間では抵抗許容差パラメータの範囲でばらつきがありますので、これは正確な値ではありません。

抵抗許容差

このパラメータは、製造上のばらつきによる同一品番の個体間における25°Cでの抵抗パラメータのばらつきを表します。

動作温度

この製品属性の具体的な意味は、各デバイスの使用目的に応じて異なる場合があります。 一般的には、メーカーがデバイスの動作特性をデバイス温度の範囲に反映しています。この範囲外の動作は、デバイスの性能低下やデバイス特性の恒久的な変化をもたらす可能性があります。このような特性としては、他のタイプの電子部品が一般的に特性評価されるような広い温度範囲、例えば-40~80°Cを示すのが一般的です。

あるいは、この属性は、期待される動作点、デバイスの使用が推奨される周囲温度範囲などを表している場合もあり、通常、一般的な周囲温度の近くまたはそれを超える狭い温度範囲(例えば+10~55°C)を示します。 このような別の意味は、通常温度ベースのスイッチとして使用することを意図したデバイスに関連付けられます。

電力-最大

本稿執筆時点では、このパラメータに反映される情報は不完全で、リストアップされた製品の約25%についてのみデータが得られています。また、製品の意図する機能が違えば結果として「電力-最大」の明確な意味にばらつきがあるのは明白です。一部の製品では、ある特定の周囲温度および実装条件下で、デバイスの内部温度が定格最大値に達する電力消費量と規定していたり、特定の動作条件下で製品が消費する典型的な電力量と規定しているものもあります。

一般的な用途

温度測定

温度測定用に最適化されたPTCサーミスタは、一般的なNTCサーミスタよりも温度相関が高く、リニアリティが高いという利点を備えています。測定精度や温度感度は劣りますが、用途によって十分である場合は、より簡便に使用できることから、本製品の使用を推奨します。TFPT0603L1000JVはその一例で、図1、図2にデータシートの抜粋を示します。

図1.TFPT0603L1000JVのデータシートから抜粋した、温度によるデバイスの抵抗値変化を示すグラフ。広い温度範囲にわたって、この特性がほぼ直線的であることに注目してください。


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図2.図1のデバイスの特性データ。抵抗許容差±0.5%以内の製品でも、TCR(抵抗温度係数)許容差は公称値の±10%程度であることに注目してください。

温度検知

PTCサーミスタのもう1つの一般的な用途は、温度測定というよりも、むしろ温度検知と言った方がいいかもしれません。これらのデバイスの特徴は、温度挙動が直線的ではなく、ある特定の近似温度を超えると急激に上昇することです。この種のデバイスは、一般的に過熱状態を監視するために使用されます。正確な温度測定はそれほど重要ではなく、一般的な「安全」値を超えた温度を検出することが重要です。このようなデバイスの例として、品番B59421A0075A062があり、関連するデータシートの抜粋を図3に示します。このデバイスの公称抵抗値は470Ω@25°Cですが、この数値の許容差は±50%と非常に大きくなっています。この部品の抵抗値は-40~50°C程度で400~700Ω程度と考えられ、PTCサーミスタという名称とは逆に、温度が下がると抵抗値が上昇することもあります。しかし、約70°C超えると、部品の抵抗値は1.5KΩ程度より明確に増加し始め、80°Cに上昇する頃には5KΩ、90°Cでは10KΩに達しています。

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図3.B59421A0075A062のデータシートの抜粋で、代表的なデバイスの特性と許容範囲を示します。

回路保護

温度検出に使われるPTCサーミスタは、センサの自己発熱を抑えるため、通常、非常に低い電流で動作し、発生したシグナルによって他のデバイスが保護動作を行います。また、過度の温度上昇や短絡/過負荷から保護するために、回路の電源電流のほとんどまたはすべてを、同様に急峻な特性を持つPTCサーミスタに流す場合もあります。このようなデバイスの多くはPTCリセッタブルヒューズに分類されますが、中にはPTCサーミスタに分類されるものもあります。これらの製品は物理的に大きく、公称オーム値は比較的小さい傾向があり、B59840C0160A070(メーカーではC840タイプと呼んでいる)がその一例です。本製品のデータシートの抜粋を図4~6に示します。

図4.B59840C0160A070のデータシートの抜粋で、本デバイスと同シリーズの類似製品のデバイス寸法を示します。


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図5.C840シリーズデバイスと関連製品の電気的動作特性を示すデータシートの抜粋。例えばC840タイプは、通常400mA以下の電流を流す回路の保護に使用され、電流が約800mAを超えると高抵抗状態に移行すると考えられ、4.1A以上の電流が流れる場合には使用できません。最大定格電圧を加えた高抵抗状態において約18mAの残留電流が流れます。公称25°C抵抗値が約6Ω、最小3.6Ωです。


図6.温度とデバイス抵抗の関係を示すデータシートの抜粋。定格電圧を印加して保護モードで動作させた場合、デバイスの温度は150°C~200°Cまで上昇すると予想されます。

加熱

PTCサーミスタは、電源電圧や熱負荷の大きな変動にもかかわらず、適度に安定した温度を保つことができる便利な自己制御型熱源として機能することができます。このように使用されるデバイスは、ある温度を超えると急激に抵抗値が上昇するタイプのもので、一般に、2つの電気接点の間にクランプして取り付けるように設計された金属蒸着の円板や長方形の形状で販売されており、その使用によって予想される熱膨張に対応することができます。B59060A0060A010はその一例で、図7に写真、図8にデータシートの抜粋を示します。ある温度以上になると、デバイスの抵抗値が急激に上昇するため、温度制限の挙動となり、12V印加時の例では、温度条件にもよりますが、およそ60~90°Cの温度を維持することが予想されます。

図7.

図8.

NTCサーミスタ

製品属性

NTCサーミスタには、メーカー、パッケージ、物理的形状を示す通常の属性のほかに、製品選択の助けとなる多くのパラメータが用意されており、以下に説明します。

25°Cでの抵抗(オーム)

このパラメータは、デバイス温度25°Cで測定したときの製品の公称抵抗値を表しています。実際の値は、製造上のばらつきにより、同じ品番の個体間で、抵抗許容差パラメータの範囲で変化します。

抵抗許容差

このパラメータは、25°Cの温度における個々のデバイスの抵抗値が、納品時に公称値からどの程度変化しているかを記述するもので、通常、公称抵抗値に対する割合で記述されます。単一の温度ではなく、ある特定の温度範囲で特性化されたデバイスの場合、許容値は温度の単位を使用してここに示されることもあります。この件に関する詳細な情報は、製造許容差の項目でご覧いただけます。

B#/#

サーミスタの抵抗値-温度曲線を特性化し、2つの温度ポイントでの実測値に基づく、さまざまなB(またはβ、ギリシャ文字)定数をリストアップしています。例えば、B0/50の値は、0°Cと50°Cでのデバイスの抵抗値を測定して得られたベータ定数を示しています。 B定数の算出に用いる式はデバイスの基本的な挙動を完全に表すものではないため、B定数を用いたデバイスのR vs T曲線のモデルは他の方法よりも精度が低く、得られるB定数は選択した温度測定ポイントに依存します。これらの問題点については、製造許容差の項目で詳しく説明します。

B定数許容差

この属性は、指定された試験条件下で測定した場合に、製造上のばらつきの結果として、特定の製品が示す実際のB(ベータ)定数が、記載されている公称値からどの程度逸脱する可能性があるかを説明します。

動作温度

このパラメータは、デバイスが動作特性を示す温度範囲です。これらの制限を越えて使用すると、デバイスの性能低下、特性の永久的な変化、または物理的な破損を引き起こす可能性があります。

電力-最大

本稿執筆時点では、このパラメータに反映される情報はやや不完全で、掲載製品の半数強についてデータが得られているに過ぎません。一般的に、周囲温度や実装などメーカーが定めた試験条件下で、連続的にデバイスが消費できる最大電力量を特性化しています。この条件下でデバイスが最大定格の内部動作温度に到達する電力量として(ただし、これに限定されません)一般的に見なされています。

抵抗値の温度依存性

NTCサーミスタの抵抗値と温度との関係は明らかに非線形であり、抵抗値を温度から特定することは困難です。この作業には、一般的に2つの数学モデルが使用されます。

このうち、より単純なものは、2つの異なる温度でサーミスタの抵抗値を測定し、以下の式に従って計算されるβ(ギリシャ文字のベータ、便宜上Bと書かれることが多い)1変数でサーミスタ曲線を表すものです(Rxは絶対温度Txにおけるサーミスタ抵抗値)。

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基準温度でのB定数と抵抗値を与えて、温度や抵抗値を解くと、式は次のようになります。

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様々なベータ定数に対する正規化されたR vs T曲線のプロットを図9に示します。ベータ定数が大きいほど、温度変化に対するデバイスの抵抗値がより急激に変化していることがわかります。

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図9.ベータ定数を変化させた場合の正規化抵抗値 vs 温度


このモデルは、比較的狭い温度範囲や比較的大きな誤差が許容される場合によく使用されます。この式は、様々な条件下での基本的なデバイスの挙動をうまく表現していません。このことは、ベータ定数の計算に使用する温度の選択が、結果的に微妙な、しかし顕著な影響を与えることに注目すればわかります。NTCLE100E3338JB0のデータシートの表データを例にして、異なる温度ポイントを用いて計算した結果のベータ定数は以下の通りです。
| — | — |
|B0/50|2858|
|B25/50|2873|
|B25/75|2878|
|B25/85|2880|
|B25/100|2882|

表データを参考に、これらの異なるベータ定数を使用した場合に予想される誤差を、次で説明する別のモデルとともに、温度の関数として図10に示します。温度が約0°Cを下回ると、ベータ定数のいずれもうまく機能しないものの、明らかに他のものよりも優れているものもあります。

図10.異なる温度で計算されたベータ定数を使用した場合と、デバイスのデータシートに記載されている係数を用いた拡張Steinhart-Hart式を使用した場合の温度誤差対温度プロット


サーミスタの抵抗値と温度との関係でよく使われる2番目のモデルは、Steinhart-Hart 式として知られており、より広い温度範囲や誤差がより小さいことが望まれる場合に使用されます。一般的な形としては、3つの定数を用いて、式に従ってサーミスタの温度カーブを算出するものです。

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ここで、Tは絶対温度、Rは温度Tにおけるサーミスタの抵抗値、およびA、B、Cは定数です。これらの定数は、対象となる範囲で3つの等間隔の温度でデバイスの抵抗を慎重に測定し、得られた3つの方程式から未知数A、B、Cを解くことで決定することができます。1960年代に導入されて以来、一般的に使用されていますが、基礎となる数学的級数をより徹底的に展開することで、より忠実な結果を得ることが可能です。

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ここで、R、T、A、Bなどは従来と同じ意味ですが、追加されたR0という用語は、誰に尋ねるかによって多少意味が異なります。 オリジナルのSteinhart-Hart式では1と仮定されていますが、ある資料では25°Cの温度でのデバイス抵抗と記述されていたり、他の値の基準抵抗と記述されているものもあります。実際問題として、定数A、Bなどをあらかじめ計算した値を使う場合、R0の解釈が一貫していないと大きな誤差が生じるため、この問題はおそらく最も重要になります。例えば、オーム単位の測定値を使用して導出された定数を用い、kΩで測定した抵抗値を使って温度を計算しようとする場合などがあります。

この種のモデル(場合によっては4次、5次の項も含む)は、サーミスタ曲線のモデル化をするには十分であることが分かっており、その精度は経験測での不確かさと同程度です。このような文脈でのR0の解釈については、より微妙な性質の効果が報告されています。温度を分割することに興味がある人は、より詳しく調べることをお勧めします。

最後に、サーミスタの非線形性を処理するための計算量の少ないアプローチは、デバイスの動作温度範囲全体にわたる表形式の抵抗値と温度値の分布です。これにより、簡単なテーブルルックアップ操作で特定のデバイスの抵抗値と温度値を関連付けることができます。特に、演算能力よりもメモリ容量を利用できるローエンドマイクロコントローラ用途では、このアプローチは大いに有効です。

サーミスタの抵抗値測定

温度センサとして使用されるNTCサーミスタを計測するための技術は、数多く、さまざまあります。しかし、図11に示すような回路は、シンプルで安価であり、一般的なマイクロコントローラで使用できる利便性に優れているため、ここで簡単に説明します。

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図11.


このように計測対象のNTCサーミスタを抵抗値が既知の固定抵抗(R)と直列に接続することで、信号Voutは温度とともに増加し、また、回路に印加する電圧VRefに比例するようになります。これは、アナログ入力の大きさをある基準電圧と比較してデジタル出力コードを生成する一般的なアナログデジタルコンバータ(ADC)に使用する際に非常に便利な構成です。

図12は、自己発熱やADCの誤差成分などの寄与を無視し、10ビットADCから期待される出力コードを、直列抵抗の値を変えて温度の関数として示したものです。

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図12.直列抵抗の値を変化させたサーミスタNTCLE100E3103GB0 の10 ビットADCの温度に対する出力コード


いずれの場合も、サーミスタの抵抗値が直列抵抗の抵抗値と等しくなる点からおよそ±20°Cの範囲では、出力コードは温度に対して適度に線形で高感度の関数であり、1°Cにつき約10コードずつ変化します。この中間スケール点から離れると感度が低下し、10°C程度の温度変化でADCコード1つの違いしか表さなくなります。

適切な直列抵抗の選択により、図11の回路で、最近のマイクロコントローラに多い10ビットコンバータを使用して、40°Cスパンで0.5°Cの分解能で測定することが十分に可能になります。もちろん、より高解像度のコンバータを使用すれば、この数値は改善されます。

サーミスタの自己発熱

サーミスタのようなデバイスの抵抗値を測定する典型的な方法は、デバイスに既知の電圧をかけ、その結果生じる電流を測定することです。あるいは、既知の電流を流し、その結果生じる電圧を測定することもできます。どちらの方法でも、サーミスタの電力損失(「自己発熱」と呼ばれる)が発生し、サーミスタの温度が周囲の温度を超えて上昇し、周囲の温度を正しく測定することができません。このような電力損失がサーミスタの温度にどの程度影響するかは、しばしば「損失係数」と表現され、一般に温度あたりの電力で、たとえば5mW/°Cように示されます。この値は、デバイスに5mWの電力が消費されるごとに、(規定の試験条件下で)デバイスの温度が1°C上昇することを示します。仮に1kΩの抵抗値を持つサーミスタに1mAの電流で測定した場合、自己発熱による誤差は約0.2°Cとなります。

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自己発熱の影響により、温度によって系統的に変化する誤差が生じやすいことに注意する必要があります。同じ1Kサーミスタでも、0°Cで3.3kΩ、50°Cで360Ωに近い抵抗値を示す場合があり、その場合、1mAの試験電流で自己発熱による誤差はそれぞれ約0.7°Cと0.07°Cとなります。この誤差変動は、この場合、全測定スパンの1%を超えてしまいます。

実際の損失係数は、用途や環境条件によって大きく左右されます。湿度の違いや近傍の換気口からの微妙な空気の流れなど、一見小さな変化でも見積もり値と大きく異なることがあり、また、空気などの気体ではなく、液体の中にデバイスを沈めると、損失係数が一桁も変わってしまうことがあります。このような理由から、損失係数に関する見積もりは、おおまかな比較には有効ですが、設計に直接利用するには限界があるため、概算値として扱うことが望まれます。アプリケーションにとって重要な問題であれば、関心のある条件下で評価することが推奨されます。さらに、この損失係数のばらつきにより、単純な数値計算で自己発熱の誤差を補正しようとする努力がなかなか報われません。もし、損失係数がリアルタイムで測定できない場合は、それを用いて自己発熱の影響を正確に評価することはできません。

製造許容差

NTCサーミスタ製品のデバイス間ばらつきを評価する方法として、2つの方法が一般的に使用されています。第一の方法は、ある一定の温度点(通常25°C)における抵抗値と温度感度(β)値のばらつきを記述する方法です。これらの値は通常パーセントで表示されます。他の温度での測定で生じる誤差の潜在的な可能性は、この方法では直接評価することができないため、関心のある温度範囲におけるこれら2つの許容差の合成から生じる誤差幅を計算するのは、ユーザー次第となります。この特性評価方法はよりシンプルで規定が少ないため、測定精度よりもコストが重視されるアプリケーション向けのデバイスに適用される傾向があります。

もう1つの方法は、ある温度範囲におけるデバイスの挙動(初期抵抗と温度感度の両方)を集約して特性化し、予想される誤差の限界を温度で表す方法です。このようなデバイスは、しばしば「互換性がある」と表現されますが、これは、ある部品を使用した例と別の部品を使用した例との違いが、示された範囲を超えて、結果としての温度測定に違いを生じてはならないことを意味します。これらの特性は、指定された温度範囲にのみ適用され、その温度範囲はデバイスの許容動作温度範囲と同等である場合もあれば、そうでない場合もあります。引用した許容差が適用される温度範囲は、そのデバイスが安全に動作できる温度範囲より狭い場合があり、また、表中の「温度範囲」の仕様がどの範囲を指しているのか、矛盾が生じる場合があります。この特性評価方法はより包括的であるため、測定精度が重視されるアプリケーション向けの比較的高価なデバイスに適用される傾向があります。

NTCサーミスタのその他の用途

突入電流制限

電源投入時に大きな電流が流れる可能性のあるアプリケーションでは、過電流保護機構の作動やプラグ着脱時のスパーク、あるいは回路部品への不要な負荷などを避けるために、電流を制限することが有効な場合があります。NTCサーミスタは、PTCサーミスタが過電流/過熱保護に使用されるのと同様に、通常、比較的低抵抗のデバイスを回路の電源と直列に接続することで、この目的に使用されます。初期状態(冷えた状態)では、NTCサーミスタの抵抗値は比較的高く、流れる突入電流は制限されます。この電流によってデバイスが温まると抵抗値が下がり、通常の動作電流を流すことができるようになり、同様の目的で固定抵抗を使用した場合に比べ、より少ない損失で動作させることができます。この設計方法は低コストで比較的便利な反面、動作中は常にサーミスタを高温に保つために電力を使うというデメリットがあります。効率に悪影響を与えるだけでなく、サーミスタがエンクロージャ内で放散する熱は好ましくない場合があります。

このように使用されるNTCサーミスタは、過電流/温度保護用のPTCサーミスタと同様に、温度計測用のサーミスタよりも物理的に大きく、公称抵抗値も比較的低い傾向にあります。そのようなデバイスのデータシートの関連部分を図13と図14に示します。

図13.B57234S0600M051のデータシートの抜粋(デバイスの寸法と基本仕様)


図14.図13のデバイスのR vs T曲線

流量検出とレベル検出

サーミスタの自己発熱は、温度測定用途では厄介な問題ですが、流体の流れやレベルの測定/検出には有効に利用できます。サーミスタの熱伝導率は周囲の環境に依存するため、既知の電力入力に対するサーミスタの温度変化を利用して、流体流量の推定や周囲環境の変化を検出することが可能です。例えば、静止した空気中では、一定量の電力を加えたサーミスタは、動いている空気中よりも自己発熱が大きく、流体の流量を推定することができます。同様に、空気中のサーミスタは、同じ温度の水中よりも自己発熱が大きく、サーミスタの配置場所にある流体の存在を検知することができます。このような用途では、サーミスタが接触している物質の温度とその流量の影響を識別するために、温度を独立して測定することが必要となります。

参考資料

Temperature Measurement in Dimensional Metrology – Why the Steinhart-Hart Equation works so well (Matus, M.、6ページ)サーミスタの抵抗値を計算するための式とその利点について議論した会議資料

NTC Thermistors: General Technical Information (TDK、15ページ)主にNTCサーミスタに関連する用語、概念、応用原理について解説

NTC thermistor sensor performance (TE Connectivity、6ページ)NTCサーミスタ製品における測定精度に関する解説

AN685: Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits (Microchip, 13 pages)(Microchip、13ページ)NTCサーミスタ回路のハードウェア線形化方法について説明し、シグナルコンディショニングに使用するアプリケーション例を紹介

PTC Thermistors: Application Notes (TDK、16ページ)PTCサーミスタのアプリケーションと、それに関連するデバイスの選択に関する考察

NTC Thermistors: Application Notes (TDK、16ページ)NTCサーミスタのアプリケーションと、それに関連するデバイスの選択に関する考察




オリジナル・ソース(English)