Jeroen gaat zelf een temperatuursensor in elkaar zetten. Hij wil dat de sensor bij een hogere temperatuur een hogere spanning geeft. Jeroen bedenkt drie schakelingen. Zie figuur 1.
In de drie schakelingen zijn steeds dezelfde NTC en dezelfde R gebruikt.
Jeroen kiest schakeling C voor zijn temperatuursensor. In figuur 2 is voor schakeling C de grafiek van de sensorspanning tegen de temperatuur geschetst.
Opgaven
a) Schets de grafieken van de sensorspanning tegen de temperatuur die schakeling A en schakeling B geven.
b) Leg uit hoe het komt dat schakeling C bij een hogere temperatuur een hogere sensorspanning geeft.
Jeroen gebruikt een voedingsspanning van 5,0 V. Voor de NTC geldt:
RNTC = 2,2 kΩ bij een temperatuur van 25 °C..
De NTC mag niet te veel opwarmen door de stroom die er doorheen loopt: het elektrisch vermogen dat in de NTC omgezet wordt, mag maximaal 2,0 mW bedragen bij een temperatuur van 25 °C.
c) Bereken de waarde die de serieweerstand R (minimaal) moet hebben.
Jeroen wil de sensor gaan ijken.
d) Maak een tekening van een proefopstelling die nodig is om de ijkgrafiek te maken en beschrijf welke stappen Jeroen moet nemen om de sensor te ijken.
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
Voor schakeling A gebeurt er weinig: er is immers geen tweede weerstand in gezet. Daardoor moet alle spanning over de NTC-weerstand blijven staan en zal er dus altijd 5 Volt op staan.
Voor schakeling B is het wat lastiger. De NTC-weerstand krijgt een kleinere weerstand als de temperatuur toeneemt. De weerstand neemt exponentieel af als de temperatuur toeneemt. Een andere manier om het te zien is door uit te gaan van de grafiek voor schakeling C. Daar staat de sensor juist over de andere weerstand. Alle spanning die niet over de NTC-weerstand staat, staat over die weerstand. Als je de sensor over de NTC-weerstand zet zoals bij B, dan komt er dus precies de omgekeerde spanning uit, namelijk de volle 5 Volt, min de spanning die er bij schakeling C uitkwam.
Uitwerking vraag (b)
Als de temperatuur toeneemt, neemt de weerstand van de NTC-weerstand af. Er komt daardoor minder spanning over te staan (want U = IR en I is constant). Omdat het een serieschakeling is, geldt: Utot = UNTC + Usensor.
De spanning over de NTC nam af, dus neemt de spanning over de andere weerstand toe.
De sensor meet de spanning over die andere weerstand, en dus meet die meer spanning bij een hogere temperatuur.
Uitwerking vraag (c)
Om de weerstand te berekenen, berekenen we eerst hoeveel stroom erdoor loopt en hoeveel spanning er over staat. De stroom is overal even groot, want het is een serieschakeling. We gebruiken hiervoor de weerstand van de NTC-weerstand en het vermogen ervan:
Nu kunnen we de spanning door de NTC-weerstand berekenen:
Hieruit halen we de spanning die over de andere weerstand staat.
En nu kunnen we de weerstand berekenen door de spanning te delen door de stroom:
Uitwerking vraag (d)
Een manier is om de sensor in een bak met water te hangen. De temperatuur van het water varieer je met een warmtebron, bijvoorbeeld een dompelaar of op een fornuis. Maar hoe weet je nu of de gemeten temperatuur klopt? Daarvoor moet je er nog een thermometer in hangen die je aangeeft of jouw zelfgemaakte temperatuursensor de juiste temperatuur aangeeft of niet. Zo kun je hem aanpassen totdat het bij elke temperatuur klopt. Dan is hij geijkt!
