Vishay NTC-Thermistor-SPICE-Modellierung

Abb. 1: Vishay NTC-Thermistor-Modell (LTSpice)
Abb. 1: Vishay NTC-Thermistor-Modell (LTSpice)

Vishay stellt neue NTC-Thermistor-SPICE-Modelle vor, bei denen die Außentemperatur über eine Spannungsvariable dargestellt wird.

Autoren: Alain Stas, Product Marketing Engineer, Non-Linear Resistors, Vishay Intertechnology, Inc.

Seit Jahren erleichtert SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) die Arbeit von Ingenieuren. Auch NTC-Thermistor-SPICE-Modelle sind in Form von Schaltungsbausteinen, die in die Simulation importiert werden können, erhältlich. Bei genauerem Hinsehen wird allerdings deutlich, dass die Temperaturabhängigkeit bei diesen Thermistor-Modellen über die in SPICE eingebettete TEMP-Variable implementiert wird. Dies ist der allgemeine Wert für die Umgebungstemperatur, der aber nicht in einer dynamischen, transienten Art und Weise verwendet werden kann. Mit solchen Modellen lässt sich das allgemeine Verhalten einer Temperaturkompensation oder von Einschaltstrombegrenzern gut nachbilden.

Aber was tun,…

...wenn man die Reaktion einer Schaltung auf einen abgekoppelten Temperatursensor simulieren möchte, der einem Luftstrom ausgesetzt ist und dessen Temperatur zum Beispiel von 0 °C auf 85 °C steigt? Nehmen wir darüber hinaus an, dass es mehrere Sensoren sind, die unterschiedlichen Temperaturprofilen ausgesetzt sind, wie es bei Brand- und Wärmemeldern der Fall ist. Die jetzigen Modelle für Heißleiter sind für solche Simulationen offensichtlich nicht besonders geeignet.

In diesem Zusammenhang stellt Vishay neue SPICE-Modelle vor, bei denen die Außentemperatur über eine Spannungsvariable dargestellt wird:

Das neue Vishay NTC-Modell…

...(Abb. 1) sieht drei Pins vor – zwei physikalische Pins für den Anschluss an die reale Schaltung und einen dritten Pin, der ausschließlich für die Simulation implementiert und mit einer (virtuellen) Spannungsquelle verbunden ist, die die Außentemperatur repräsentiert.

Entwickler von Temperatursensoren wissen, dass die Ansprechzeit eines Sensors bei einer Temperaturänderung entscheidend für ihre Anwendung ist. Die Ansprechzeit ist abhängig vom NTC selbst, aber zum Beispiel auch vom Prüfmedium oder von den Einbaubedingungen. In Vishays neuen Modellen kann dies durch den Designer selbst modelliert werden, indem eine kleine Schaltung – zum Beispiel in seiner einfachsten Form, dem RC-Glied – zwischen virtuellem Temperatur-PIN und Temperatur-/Spannungsquelle eingefügt wird, wie in Abb. 2 zu sehen.

Jetzt besteht vollständige Äquivalenz…

...zwischen der Temperaturänderung am Thermistor, die exponentiell mit definierter Ansprechzeit von 25 °C Umgebung auf 85 °C steigt, und der Spannung eines Ladekondensators über einen festen Widerstand, deren Wert gleich der erwähnten Ansprechzeit ist. Spannungsquellen mit 150 V, 0 V oder -40 V sind hier durchaus normal, die Einheit Volt (V) steht hier jedoch für Grad Celsius (°C). Um alle Temperatureinwirkungen auf einen NTC-Thermistor abzubilden, müssen wir noch die Eigenerwärmung durch den Stromfluss im Bauteil erwähnen. Die möglichen Auswirkungen sind ebenfalls in der von Vishay modellierten Teilschaltung enthalten. Der Anwender muss sich also um diesen Aspekt nicht im Einzelnen kümmern.

Wie zu Beginn erwähnt,…

...sind fast alle Elektroniksimulatoren SPICE-kompatibel. Das bedeutet, dass Netzlisten, welche die Teilschaltung darstellen, in diese Software importiert werden können – sofern wir mit Netzlisten arbeiten, die auf die ursprüngliche SPICE-Sprache von Berkeley aufsetzen. Das Importieren moderner Schaltungsbausteine wird wahrscheinlich Fehlermeldungen wie „Funktion nicht bekannt“ oder „Zu viele (wenige) Parameter für diesen Bausteintyp“ anzeigen, um nur einige zu nennen. Der Entwickler braucht in diesem Falle längere Zeit, um alle Fehlermeldungen zu beheben. Um solche Fehler zu vermeiden, hat Vishay den Import seiner neuen spannungs- bzw. temperaturgesteuerten Thermistoren simuliert und die Probleme für die sechs (u.M.n.) am meisten verwendeten Programme beseitigt:

  • Altium designer 16 (Abb. 3)
  • Linear Technology‘s LT spice IV (auch getestet in LT spice XVII 64 Bit, 32-Bit-Version wird nicht empfohlen)
  • National Instruments Multisim 14.0 (es gibt auch eine Version für Multisim Blue)
  • Cadence PSPICE 16.6  (Abb. 4)
  • SIMetrix
  • Texas Instruments Tina TI

Links sind zwei Screenshots dieser sechs Programme einer annähernd identischen Simulation aufgeführt. Die Kurven zeigen die Spannungsveränderung an den physikalischen Pins des Thermistors (Abb. 2) und die Temperaturänderung des Bauteils selbst, das einem Temperatursprung von 25 °C auf 85 °C ausgesetzt wird. Während die Unterschiede zwischen den Programmen sonst eher gering sind, unterscheidet sich die Programmierung der Kondensatoranfangsspannung von 25 V (entspricht im Modell der Anfangstemperatur von 25 °C) relativ stark.