楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

サーミスタと温度センサICを紹介します

温度センサには ①熱起電力を利用する「熱電対」 ②精密温度測定に利用される「白金測温体」 ③サーミスタ ④温度センサIC などがあり、様々な目的で利用されています。

①の熱電対(ねつでんつい)は種類によって、精密に幅広い温度範囲が測定できますし、 ②の白金測温体はさらに高精度な温度計測ができるのですが、ここでは、電子工作レベルで使いやすそうな、簡単で安価で0-100℃程度の温度範囲のセンサとして、 ③サーミスタ  ④温度センサIC について取り上げます。

サーミスタと温度センサICの例


また、センサーではないのですが、サーモスタット(サーマルスイッチ・サーマルセンサ)についても簡単に紹介します。

 サーマルセンサ67F070

(お断り) ここで紹介する内容は、技術的な内容よりも、電子工作に使えそうなヒントにできる簡単な内容の紹介です。 

最初はサーミスタから・・・


サーミスタ

「サーミスタ」は温度によって抵抗値が変わる半導体電子部品です。 

サーミスタには、性質の違う2種類のものがあり、①温度が高くなるにつれて抵抗値が下がるもの ②温度がある温度に達すると、急に抵抗値が増すもの の2つの特徴ある性質を持つサイリスタがあり、用途に応じて使われています。

①は温度に対する抵抗値の変化が大きいことで、電子工作のレベルで手軽に使えそうな温度センサで、いろいろな用途に利用しやすそうので、ここではこの①の使い方を取り上げます。

この①のサーミスタは、温度に対して抵抗値が下がる「負特性:Negative」があることからNTCサーミスタと呼ばれており、温度測定や温度補償回路などに用いられます。

また、ここでは取り上げない ②のサーミスタは、温度が上がると抵抗値が増す「正特性:Positive」で、PTCサーミスタ と呼ばれており、過昇温警報や温度制限回路などに適しているようです。

通常は「サーミスタ」といえば、①のNTCサーミスタ のことをいいます。 

サーミスタの例

この写真のサーミスタは①のタイプの標準的なものは、25℃における抵抗値が10kΩのもので、温度が上がるとともに抵抗値が下がるという特性があります。

ここでは紹介していない②のタイプのPTCサーミスタでは、村田製作所さんが製造しているものが有名で、「ポジスタ」と呼ばれており、これは、装置の温度が高くなると過熱状態を検知したり、過電流保護回路を働かす用途で自動車や家電製品などに使われています。

この、抵抗値が急変する特性を、リレーなどと組み合わせて利用すると電子工作でも面白い使い方ができそうですが、通常の電子工作では、①が多く使われているようですので、ここでは①のタイプだけを説明します。

抵抗の変化を電圧・電流の変化に変える

サーミスタ(NCTサーミスタ)は、素子の温度が上がると、抵抗値が下がる性質を持っています。

ここでは、103AT-2という型番を用いて説明しますが、通常の使い方を考えると「温度変化によって抵抗値が変化する」・・・という「温度と抵抗の関係」は使いにくいので、通常はこれを 「温度変化を電圧変化」に変えて使用されます。

このためには、下図のように、サーミスタに電圧をかけて、抵抗値の変化を電圧電流変化に変える方法や、抵抗を直列に入れることで、電源から「分圧した電圧」を取り出す方法が用いられます。

サーミスタを使う回路例

また、上の右図のように、電流変化(または抵抗変化)を利用する場合でも、抵抗値が変化すると電圧が変化するので、通常は、温度と電圧変化の関係として用いるのが一般的です。(ここに書いた赤色の変化曲線は適当に線を書いたものです)

一般的に製品化を考える場合には、抵抗値を直並列にするなどで、必要な温度範囲の変化を直線に近づける工夫が必要になります。 このあとそれの例を紹介していますが、この直線的な関係にすることを「リニアライズ」といいます。

温度を測りたい範囲の変化が直線的になるようにすることで温度誤差が少なくなるので、固定抵抗を入れて電圧変化にすると、直線的な変化になって扱いやすくなります。

データシートに記載の抵抗値を基準に電圧に変換

ここで使用するサーミスタ「103AT-2」ですが、データシートの温度と抵抗値の関係は下表のようになっています。

サーミスタの温度と抵抗変化例 抵抗変化例

サーミスタ単体を空気中におくと、その温度によって抵抗値が変わるので、それをこの表から読めばいいのですが、このひょうの数字をグラフにしたのが右図で、これは、2次曲線的で、ちょっと扱いにくい感じがわかりますね。

室温25℃で規定の抵抗値(この場合は25℃で10kΩ)になるように作られています。

サーミスタを使って温度を測る

例えば、この写真のように、サーミスタだけの抵抗値では、室温33℃で7.74kΩとなっていて、この抵抗値をデータシートの表で見ると、30℃と40℃の間の抵抗値になっているのがわかります。

ただ、表は10℃ごとなので、30何度なのかがわかりにくいでしょう。 もちろん、区間を直線と考えて計算する方法もありますが、誤差が多くなります。

抵抗変化を電圧変化に変換

そのために、下のような方法で抵抗変化を電圧変化に変換すると直線に近づきます。 これがリニアライズです。

下左は、サーミスタの表で温度における電圧値を測定する回路で、下右は、サーミスタの表に相当する抵抗値の電圧を確かめるための回路です。

サーミスタ回路検討

5V(実測4.94V)の電源を用いて、10kΩ(実測9.99kΩ)の抵抗をサーミスタに直列にして、OUTからの出力電圧を測定してみました。

出力電圧の測定

つまり、サーミスタの周囲温度を変えるのは大変なので、サーミスタの代わりに可変抵抗で模擬的な抵抗値を与えて出力電圧を測定していますが、結果が次のグラフです。

可変抵抗は、多回転の半固定抵抗を使えば、かなり正確に抵抗値を調整できます。

例えば、サーミスタの表では50℃のときの抵抗値が4.16kΩなので、半固定抵抗をその数値に調整して上右の回路の電圧を測りました。

測定結果グラフ 測定結果表

その結果は、このグラフのように、ほぼ直線になっています。 そのために、ある温度の時の出力電圧は、1次式 y=ax+b として 出力電圧=傾きx温度+0℃の電圧 で計算できるようになります。

この場合は、例えば、33℃の出力電圧は、傾きが(3.49-1.31)/50=0.0436  で、1℃の電圧差(傾きa)が0.0436V で、0℃の電圧(b)が1.31Vなので、y=0.0436x(温度)+1.31 という1次式が得られます。 この式はあとの説明でも使います。

だから33℃のときの電圧は 0.0436x33+1.31 から、2.75V と計算できます。 

逆に、上左の回路で得た電圧から温度を算出することもできますね。

抵抗値は扱いにくい?

ここで、(前に戻るのですが)「温度-抵抗値」については『使いにくい』と書きましたが、温度幅を上表と同じ0-50℃の範囲をグラフにすると、下のようになります。

データシートの抵抗値と温度 データシートの表抜粋

前の広範囲温度のグラフと違って、この温度範囲では、かなり直線に近づいているようですが、やはり直線ではありません。

やはり、電圧に変換したほうが直線に近づいているので、補間誤差(表にある数字の間の場合の誤差)は電圧を用いるほうが少なくなっています。

また、この抵抗値との関係は右下がりの曲線ですので、右上がりになっている電圧と温度の関係のほうがイメージ的にも使いやすそうな感じがしますね。

固定抵抗を変えるとどうなる?

次に、固定抵抗を変えると、出力電圧がどうなるのかを見るために、10kΩをテスターによる実測値で 6.70kΩと32.8kΩ に変えて測定しました。

実験結果集計

見た目では6.7kΩのときのほうが、直線的な感じがします。 そして、10kと6.7kの2つは直線的ですが、あと一つの33kになると、直線ではなくなってきます。

このように、直線に近づけるには、直列の抵抗値を選ぶ必要があります。

あるサーミスタメーカーの解説に、「固定抵抗値を直並列するなどで、温度範囲内の直線性を変えることができる」・・・とありました。

できるだけ正確さが要求される場合は「直線性」を検討しなければならないのですが、このサーミスタ(103AT-2)は室温25℃を基準にしているので、固定抵抗の値は難しいことを考えないで、サーミスタの呼び抵抗(この場合は10kΩ)にすると、このグラフにみられる程度の直線性が得られるので、そんなに正確さを必要としない電子工作では、サーミスタの呼び抵抗値の固定抵抗を使う・・・と考えていても、大きな問題は出ないでしょう。

ただ、電源電圧や固定抵抗値が変わると、出力電圧が変わるので、それに合わせてグラフ(や数表)を作り直さないといけないことになるのが少し不便なところでしょう。

ただ、これを測定する場合でも、疑似抵抗を使って測定すると、大した手間ではありませんし、一度やっておくと後々使えます。

もちろん、ここで使用したものと同じであれば、ここにある数字を利用いただくといいでしょう。

また、この電圧変換と直線化(リニアライズ)では、電源電圧の分圧が出力電圧なので、『出力電圧=電源電圧/(サーミスタの抵抗+固定抵抗)x固定抵抗』 という関係があります。

例えば、40℃になると何かの機器をON-OFFさせようとして、その時の出力電圧を求めたいという場合には、固定抵抗が10kΩであれば、40℃のサーミスタの抵抗値は5.827kΩなので、電圧は 5/(5.827+10)x10≒3.16V となります。

上のグラフで確かめてみましょう。 40℃の値は、ほぼ3.1V程度です。 そして、先ほど求めた1次式から、0.0436x40+1.31 を計算すると、3.054Vとなり、やはり計算と実測とは少し違います。

これらの違いは、精密測定ではないので、目をつむればいいのですが、気になる方は傾きの基準位置を変えたり、もっと個々について精密に測定すれば、ある程度は改善できそうです。 

しかし、趣味の電子工作では、この程度の違いはあっても仕方がない・・・と割り切ってもいいでしょう。 

電子工作を含めて、サーミスタを使う場合には、電源電圧が高くて、固定抵抗値が小さいと電流が増えて発熱の影響がでますし、温度変化が急速な場合は、その温度環境になるまで、ある程度の時間が必要な点(応答時間)に留意しておきましょう。

どのようなセンサを用いても長短所があるので、どんな場合でも個別に対応しなければならないのは仕方がありません。


これを使った応用例を考えるには、サーミスタの抵抗変化ではなくて、電圧変化が利用できるのは便利で、電圧は簡単に「増幅」ができますので、応用範囲も広い感じがします。

そうすると、たとえば、こちらで紹介したオペアンプやコンパレータを使うとON-OFF動作や何かができそうな感じがします。(別のところで何か考える予定ですが、ここでは概略の説明に留めます)

さて、次にもう一つの「温度センサIC」について見てみましょう。

温度センサIC:MCP9700A

温度センサIC  MCP9700A MCP9700Aの足 結線図

温度センサICは、バイポーラトランジスタと同じような形をした「摂氏温度が電圧に比例して直読できるIC」で、「リニアアクティブサーミスタIC」というのが正式名称のようです。

ここでもちいるIC(MCP9700A)は、1℃の温度差が10mVの電圧差で、その関係が高精度に維持されて出力されるようになっている電子部品です。

そしてうれしいことに、非常に安価ですし、温度を測るためだけでは、付帯部品もほとんど不要です。

このICでは、LM35という型番が最もポピュラーなようですが、ここでは、それ以上に安価なMCP9700Aを用いて紹介します。

温度変化が電圧変化に変換できるセンサです

回路図の一例

使い方は、3本の足につなぐだけです。

このMCP9700Aの場合は、0℃で500mV、100℃では 10mAx100℃ で、1.5Vの電圧が出力されます。

ポピュラーな「LM35」との違いは、500mV(0.5V)のバイアスがかっていることです。

つまり、LM35は、たとえば、0℃で0V、100℃では1Vの出力電圧ですが、MCP9700Aではそれぞれに500mVが加えられた、0.5V、1.5V が出力されます。

価格を考えない場合は、0℃で0mVになるLM35のほうが使いやすそうな気がしますが、マイナス温度とプラス温度と0℃を跨いだ温度(例えば-20℃から+50℃など)を測りたい場合は、符号の処理を考えなくていいので、このMCP9700Aのほうが使いやすくなりそうです。

「外付け部品が不要」とありますが、データシートの注意書きには、図のように1ピン(Vdd)と3ピン(GND)間に0.1~1μFのバイパスコンデンサ(パスコン)を「ピンに近づけて」取り付けること、また、ノイズの多い電源電圧をVddに入れる場合は200Ωの抵抗と1μFのパスコンを使うように・・・との指示があります。

温度センサICを使った測定例

今回は、Vdd(1番ピン)に3Vの電源をつないで、出力と室温を表示しています。 パスコンは使っていません。

テスターは830mVを示しているので、500mVを引くと330mVで、10mVが1℃なので、ICの温度示度は 33.0℃ ということになります。

横においた温度計も 33℃ ですので、同じ示度になっています。

温度計の方はもっといい加減な精度ですので、このセンサーは問題なく「プラスマイナス1℃の範囲の精度」に入っていると考えていいでしょう。

0℃以上の室温対象ならLM35のほうが500mVのバイアスがないので使いやすそうな感じもしますが、低温から常温までの、例えば、冷蔵庫などに使う場合を考えると、このIC(MCP9700A)は、プラスマイナス処理をする手間が必要ないので、このようなICにしたのかもしれません。

データシートによれば、精度は「25℃を基準として、0~70℃の範囲で1℃以下」とあります。写真で比較している温度計よりも、たしかに高精度です。

付加する電圧は2.3~5.5Vとなっているので、上記の 3Vを 5V にしたところ、830mV が 834mV になりました。

電源電圧の違いで0.4℃の差が生じています。

この状態では、どちらの室温が正しいのかはわかりませんし、温度の精度測定は正直言って結構難しそうなので、ここでは確認しませんが、付加する電圧で若干の出力(示度)が変わることを含めて、これも誤差の範囲と考えても、±1℃ の範囲で正しい・・・と考えればいいでしょう。 ともかく、非常に安価なのに高精度なことに驚きます。

このように、簡単に温度が測定できる特徴のあるICですが、WEBの記事では、マイコンを使った例が多く掲載されています。興味ある方は検索ください。

次はサーマルスイッチについての紹介です。

サーマルスイッチ 67F070(67L070)

67F070の外観

指定の温度で開閉する温度スイッチで、この型番はバイメタル式のサーモスタットです。

さらに2種類のタイプに分かれており、指定の温度にならば『閉じる』ものと『開く』ものがあって、写真の、型番67F070では、末尾の070が70℃の動作温度を示し、Fはその温度になったら「閉じる」(電気が流れる)動作をするものです。

もう一方のタイプの 67L070 では、70℃になれば「開く」(電流を遮断する)動作ですので、購入時には、動作温度と動作を確認して購入する型番を間違わないようにします。

回路に直列につなぐだけで、使用法も取り扱いも非常に簡単で、たとえば、周囲温度が指定以上の高温になれば閉じる動作のFタイプでは、「ファンを回して冷却する」・・・などの動作をさせることができますし、もう一方の開く動作のLタイプでは、「指定の温度になればヒーターの電源を切る」・・・ということなどを簡単に行うことができます。

型番によって動作温度が50~130℃までの製品ラインアップがあり、復帰温度も動作温度のおよそ20℃下の温度で復帰して繰り返し使用でき、115V1Aで1万回の開閉寿命があるので非常に安定して使用できます。

こういう物がある・・・ということを知っておくといいでしょう。

ただ、少し気になったことですが、私はこの製品を 100円以下で購入したのですが、WEBでの製品価格が千円以上になっているサイトもあって、価格がまちまち過ぎて、何が適正価格かわかりませんので、高いようなら購入して遊んでみるのも考えものです。 100円程度では気軽に使えるものの、1000円だと電子工作の遊びには使えないので、このあたりはチェックして購入ください。

*****

温度センサーを使用して、実際に何かの動作をさせようとするには、オペアンプやコンパレーターを使って警報を出す方法などは、そんなに難しくなさそうなので、これらの部品は安価ですので、安いものを購入しておいて、時間を見つけて楽しんでみてください。

→次のページは、光を利用するセンサーの紹介です

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(来歴)R2.8記事作成  R2.9見直し  R3.1サーマルセンサー追記  最終R3.7に見直し

電子工作記事の目次

最小限必要なことのおさらい(1-1)

最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

最小限 必要な準備をしましょう

LEDで遊んでみよう

Arduino用センサキットのLEDで遊べそうですか

7セグLEDをアナログ的に使う

バータイプLEDを使ってみる

ろーそくICとはどんなものなのでしょうか

モーターを使って遊んでみよう

DCモーターの回転数を変えてみる

DCモーター用のドライバー

モータードライバーNJU7386を使ってみる

電子工作に使えそうなバイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタの互換性を見てみよう

バイポーラトランジスタのダーリントン接続

電界効果トランジスタFETの基礎

発振によってBEEP音を出してみよう

マルチバイブレータでLED点滅

その他の発振回路:少部品で確実に発振する回路

CdSセルを使ってみよう

電子工作に使えそうなスイッチ類

メカニカルリレーを使った自己保持回路

磁気に反応するホールICを使ってみる

磁気センサの「磁気抵抗素子」

メロディーICを使ってみましょう

サーミスタと温度センサICを紹介します

光を利用する発光受光素子

フォトインタラプタとフォトリフレクタ

オペアンプの使い方(1)オペアンプと電源

オペアンプの使い方(2)コンパレータ

オペアンプの増幅回路

オペアンプの増幅(2)

オペアンプを使った発振回路

タイマーIC NE555を使って見よう

タイマーIC「555」を使い倒そう 

コンデンサマイク用ミニアンプを試作

10進カウンタICとシフトレジスタIC

ボルテージディテクタ・リセットIC

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テスターとオームの法則から始まる電子工作

応用のページのINDEX(目次)

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