Temperatursensor-Projekt: Analoge Temperatursensor-ICs

In diesem Artikel betrachten wir die vierte Klasse von Temperatursensoren in einer Reihe von Artikeln, die sich alle um die Messung von Temperatur drehen. In der Einführung haben wir eine Reihe von Projektvorlagen erstellt, die es uns ermöglichen, stapelbare, analoge oder digitale Sensorkarten für Tests verschiedener Arten von Temperatursensoren zu entwickeln. Am Ende der Serie werden wir einen Satz von Host-Boards für diese bauen, was es uns ermöglichen wird, die Leistung und Genauigkeit nicht nur der verschiedenen Sensortypen, sondern auch der verschiedenen Implementierungen für diese Sensoren zu vergleichen.

In dieser Serie werden wir uns eine breite Palette von Temperatursensoren ansehen. Wir werden über ihre Vor- und Nachteile sowie über gängige Topologien für ihre Implementierung sprechen. Die Serie wird abdecken:

• Negative Temperature Coefficient (NTC) Thermistoren
• Positive Temperature Coefficient (PTC) Thermistoren
• Widerstandstemperaturdetektoren (RTD)
• Analoge Temperatursensor-ICs
• Digitale Temperatursensor-ICs
• Thermoelemente

Heute betrachten wir integrierte Schaltkreise für analoge Temperatursensoren - wir werden nur eine Implementierung pro Schaltkreis haben, anders als in den vorherigen Artikeln. Diese integrierten Schaltkreise übernehmen die gesamte Linearisierung und Verstärkung, die wir selbst übernehmen mussten, als wir ein resistives Element zur Temperaturmessung verwendet haben. Diese Sensoren können intern eine Reihe verschiedener Topologien und Sensortypen haben, aber deren interne Implementierung ist für uns nicht von Bedeutung. Sie alle liefern einen relativ linearen Ausgang, der sich gut für die direkte Verwendung mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) eines Mikrocontrollers oder analoger Schaltkreise eignet.

Mit einer geringen Anzahl von unterstützenden Komponenten, ihrer hohen Präzision und bequemen Ausgangsspannung könnten Sie denken, dass die Verwendung eines analogen Sensor-ICs wesentlich teurer sein wird als die Implementierung Ihres eigenen mit einem der diskreten Sensorelemente, die wir bereits betrachtet haben. Im Allgemeinen ist das Gegenteil der Fall. Sie können typischerweise einen analogen Temperatursensor-IC zu Ihrem Schaltkreis für geringere Kosten hinzufügen als bei den meisten Basisimplementierungen eines diskreten komponentenbasierten Temperatursensors, und der Ausgang wird weit präziser und linearer sein.

Wie bei all meinen Projekten finden Sie die Details des Projekts, die Schaltpläne und die Platinendateien auf GitHub zusammen mit den anderen Temperatursensor-Implementierungen. Das Projekt wird unter der Open-Source-MIT-Lizenz veröffentlicht, die es Ihnen erlaubt, die Entwürfe oder Teile davon für persönliche oder kommerzielle Zwecke zu verwenden, wie Sie möchten.

Oben sehen Sie das PCB-Design, über das Sie im Altium 365 Viewer lesen werden, eine kostenlose Möglichkeit, sich mit Ihren Kollegen, Kunden und Freunden zu verbinden, mit der Fähigkeit, das Design anzusehen oder mit einem einzigen Klick herunterzuladen! Laden Sie Ihr Design in wenigen Sekunden hoch und haben Sie eine interaktive Möglichkeit, einen detaillierten Blick darauf zu werfen, ohne sperrige Software oder Computerleistung.

Analoge Temperatursensor-ICs

Mit den vielen Implementierungsoptionen der zuvor betrachteten Sensortypen könnten Sie an diesem Punkt denken, dass die Temperaturmessung mit passiven Komponenten eine Menge harter Arbeit ist. Wenn Sie einfach eine lineare Spannung möchten, die eng mit der Temperatur korreliert, dann könnten Sie am besten einen analogen Temperatursensor in Betracht ziehen. Die analoge Spannung ermöglicht es Ihnen, die Temperatur mit einem ADC-Pin eines Mikrocontrollers zu messen. Alternativ können Sie den Ausgang nutzen, um andere analoge Schaltkreise wie einen Komparator zu speisen, um Temperatursteuerung oder Sicherheitsfunktionen zu bieten, ohne einen Mikrocontroller oder ein anderes digitales Gerät verwenden zu müssen.

Intern arbeiten diese Sensoren typischerweise ziemlich ähnlich wie die passiven Komponenten, die wir zuvor betrachtet haben. Allerdings haben sie eine eingebaute Kompensation, um ihre Ausgänge zu linearisieren. Wenn der Ausgang weniger als perfekt linear ist, enthält das Datenblatt typischerweise eine Formel, die die präzise Umwandlung der Spannung in Temperatur ermöglicht, ohne den Sensor im Labor testen zu müssen, um die Kompensationsvariablen zu bestimmen. Dies vereinfacht den Ingenieurprozess im Vergleich zur Qualifizierung einer Schaltung, die ein resistives Element und Operations- oder Instrumentenverstärker verwendet, erheblich.

Trotz dieser Bequemlichkeit sind analoge integrierte Schaltungstemperatursensoren billiger als die passiven Komponenten, die wir uns mit vergleichbaren Genauigkeits-/Präzisionsniveaus angesehen haben. Für die Kosten jeder anderen Implementierung als eines Spannungsteilers könnten Sie einen analogen Sensor kaufen. Die Temperaturmessbereiche der ICs sind begrenzter als bei einem RTD, aber sie ähneln dem beworbenen Bereich für einen Thermistor. Das Silizium in den Sensoren und die Tatsache, dass sie in der Regel auf eine Platine oder Drähte gelötet werden, sind der begrenzende Faktor für die maximale Temperatur. Trotzdem kann der minimale und maximale Erfassungsbereich typischerweise zwischen -55°C und 150°C liegen. Dieser Temperaturbereich sollte für die überwiegende Mehrheit der Projekte ausreichend sein, die die Umgebungsbedingungen an einem Ort erfassen müssen, an dem andere elektronische Geräte betrieben werden.

Für dieses Projekt werden wir uns drei verschiedene Sensoren ansehen, die eine Vielzahl von Betriebstemperaturen und Präzisionen sowie einen weiten Eingangsspannungsbereich aufweisen.

Diese Geräte wurden ausgewählt, um eine breite Palette von Preis- und Leistungspunkten zu demonstrieren. Im abschließenden Artikel dieser Serie werden wir sie über ihre Betriebstemperaturbewertungen hinaus testen, um zu sehen, wie sie sich über ihren gesamten Erfassungsbereich und darüber hinaus verhalten.

Analogsensor-Implementierung: Texas Instruments LMT87DCKT

Der LMT87 von Texas Instruments ist ein kleiner CMOS-Temperatursensor in SC-70-Größe. Von allen analogen Sensoren, die wir für dieses Projekt untersuchen, hat der LMT87 die höchste typische Genauigkeit von 0,4%. Selbst die schlechteste Genauigkeit von +/- 2,7°C liegt noch vor den anderen Sensoren. Obwohl sein Ruhestrom ebenfalls niedriger ist als bei den anderen, zumindest bei Verwendung einer 2,7-V-Versorgung, hat er auch eine Einschaltzeit von nur 0,7 Millisekunden. Dies macht ihn noch energieeffizienter, wenn man die Stromversorgung kurz vor der Temperaturmessung zyklisch ein- und ausschaltet, was ihn zum idealen Sensor für energiearme/energiebeschränkte Anwendungen macht. Mit dem sehr niedrigen Stromverbrauch des Geräts kann es direkt von einem Mikrocontroller oder einem anderen Logikgerät gespeist werden, ohne sich Sorgen machen zu müssen, die maximalen Bewertungen für den IO-Pin zu überschreiten. Für Anwendungen mit niedrigerer Spannung gibt es weitere Optionen in der LMT8x-Serie von Geräten, die den Betrieb mit Versorgungsspannungen bis hinunter zu 1,5 V unterstützen, allerdings mit einem reduzierten Gewinn, der mit dem reduzierten Versorgungsspannungsbereich einhergeht.

Es ist erwähnenswert, dass der LMT87 auch in einer für den Automobilbereich qualifizierten Variante verfügbar ist, was für einige Benutzer nützlich sein könnte.

Für die Implementierung dieses Sensors füge ich einen Entkopplungskondensator und einen Ausgangskondensator hinzu. Das Datenblatt gibt an, dass keiner von beiden erforderlich ist; jedoch möchten wir diesem Sensor die beste Chance geben, in unseren Tests zu glänzen. Der Ausgangskondensator ist nicht unbedingt notwendig, ermöglicht aber einem SAR-ADC, Stromstöße zu ziehen, während er misst. Dies geschieht, ohne die Messung negativ zu beeinflussen, falls der Temperatursensor nicht in der Lage sein sollte, den erforderlichen momentanen Strom zu liefern, um die Ausgangsspannung dort zu halten, wo sie für die Temperaturmessung sein sollte. Die Teilenummern beider Kondensatoren werden bereits für andere Projekte in dieser Serie verwendet, sodass diese nicht wesentlich zu den Gesamtkosten oder der Anzahl der zu bestellenden Komponenten hinzufügen werden.

Das Datenblatt liefert freundlicherweise ein vorgeschlagenes Layout für die Oberflächenmontagevariante der Komponente, die wir verwenden; jedoch bin ich davon leicht abgewichen. Wo das Datenblatt vorschlägt, eine Verbindung zu Masse- und Stromversorgungsebenen herzustellen, verbinde ich stattdessen mit Leiterbahnen. Ich möchte wirklich keine Massefläche auf der Unterseite hinzufügen, da dies die Ergebnisse der Temperaturtests/-vergleiche, die wir später in der Serie durchführen werden, beeinflussen könnte. Durch das Vorhandensein einer Massefläche, mit ihrer thermischen Masse/Leitfähigkeit, unter dem LMT87-Sensor, aber nicht unter den anderen Sensorelementen, die wir verwenden, könnte dies die Ergebnisse beeinflussen. Es wird daher nicht genau die Leistung des Sensors demonstrieren.

In der 3D-Ansicht können Sie sehen, dass ich den Sensor in derselben Position positioniert habe wie bei den anderen Designs, an denen wir zuvor in dieser Artikelserie gearbeitet haben. Ich habe den Entkopplungskondensator für die Stromversorgung neben den IC platziert. Den Entkopplungskondensator für den analogen Ausgang habe ich jedoch neben den Stecker platziert, wo er am meisten nützt.

Die Platinenform und die Verbindungen werden alle durch die Projekt-/Platinenvorlage bereitgestellt, die wir im ersten Teil dieser Serie erstellt haben, Temperatursensor-Projekt: Einführung.

Analoge Sensorschaltung: Texas Instruments LM62

Der Texas Instruments LM62 ist seit Ende der 90er Jahre auf dem Markt und bis heute relevant. Obwohl seine Genauigkeit und sein Erfassungsbereich nicht so gut sind wie bei anderen Sensoren, ist er dennoch ein sehr praktischer Sensor für viele Anwendungen. Der LMT87, den wir oben betrachtet haben, ist genauer, verbraucht weniger Strom und ist viel moderner als der LM62, und ist zudem zu einem niedrigeren Preis erhältlich - warum also den LM62 in diese Liste aufnehmen? Ich dachte, es wäre interessant für diese Übung, eine Komponente einzubeziehen, die immer noch relativ verbreitet ist und dennoch die Nachteile eines messbaren Eigenerwärmungseffekts und eines begrenzten Temperaturerfassungsbereichs aufweist.

Der LM62 hat jedoch einige Vorteile, wie zum Beispiel einen größeren Sensorverstärkungsfaktor von 15,6 mV/°C und einen Betriebsspannungsbereich, der bis zu 10 V reicht. Darüber hinaus ermöglicht der begrenzte Temperaturbereich bei seiner maximalen Erfassungstemperatur von 90°C eine Ausgangsspannung von 1,884 V. Dies ermöglicht eine zusätzliche Verstärkung, die mit einem Operationsverstärker oder Instrumentenverstärker angewendet werden kann. Dies bietet eine noch höhere Verstärkung über den gesamten Erfassungsbereich, wenn Sie einen 3,3 V Mikrocontroller verwenden oder einen vollen Erfassungsbereich, der innerhalb der Fähigkeiten eines Logikgeräts mit niedrigerer Spannung liegt.

Der LM62 weist ebenfalls eine ausgezeichnete Linearität über seinen Temperaturmessbereich auf, wobei die maximale Abweichung nur 0,8°C beträgt.

Wie beim LMT87 kann der LM62 von einem IO-Pin eines beliebigen Mikrocontrollers oder Logikbausteins mit Strom versorgt werden; obwohl sein Stromverbrauch deutlich höher ist, stellt er dennoch nur einen kleinen Bruchteil der Leistung dar, die ein Mikrocontroller-Pin liefern kann.

Wie beim LMT87 oben beschrieben, implementiere ich die optionalen Kondensatoren für den LM62. Der LM62 benötigt keinen Entkopplungskondensator am Eingang oder Ausgang; jedoch enthält das Datenblatt einen Vorschlag für einen Filter zur Verwendung in geräuschintensiven Umgebungen. Die Evaluierungsboards, die wir bauen, werden tatsächlich nicht in einer elektromagnetisch geräuschintensiven Umgebung platziert. Allerdings ist die Reaktionszeit des LM62 deutlich langsamer als die Zeitkonstante des RC-Filters am Ausgang, der durch den 1 uF Kondensator gebildet wird. Infolgedessen wird die Gesamtreaktion des LM62 nicht signifikant beeinflusst.

Ich habe zu Beginn dieses Artikels erwähnt, dass Sie möglicherweise die Verwendung eines analogen Sensors gegenüber einem digitalen bevorzugen, da dies für den Einbau in analoge Steuerungsschaltungen bequemer sein kann. Da wir über Implementierungsoptionen und Datenblatt-Empfehlungen sprechen - das Datenblatt für den LM62 enthält ein schönes Thermostat-Beispiel, das viele Anwendungen in Steuerungsschaltungen haben könnte, selbst nur um einen Ventilator oder einen Heizkörper einzuschalten, ohne dass ein Eingriff eines Mikrocontrollers notwendig ist.

Die Platine ist sehr ähnlich wie die des LM87 aufgebaut, mit dem Entkopplungskondensator der Stromversorgung neben dem Sensor-IC und der Ausgangsspannung des Sensors entkoppelt in der Nähe der Stapelverbinder.

Analoge Sensorimplementierung: Maxim Integrated MAX6605MXK

Der MAX6605 von Maxim Integrated ist ein weiterer moderner Temperatursensor im gleichen kleinen SC70-Gehäuse wie der LMT87. Bei 25°C hat der MAX6605 einen Temperaturfehler von +/- 0,75°C. Über seinen gesamten Bereich steigt dieser Fehler jedoch auf maximal +/- 5,8°C an, was zwar nicht fantastisch klingen mag, dies gilt jedoch für einen Messbereich von -55°C bis 125°C. Im Bereich von 0°C bis 70°C, in dem die meisten Haushaltsgeräte üblicherweise betrieben werden, beträgt sein Temperaturfehler +/- 3,0°C.

Beim Betrieb eines typischen ADC würde der Temperatursensor etwa 10 µA Strom verbrauchen, was einer Erhöhung der Die-Temperatur über der Umgebungstemperatur von nur 0,0162°C entspricht, weit besser als der LM62, den wir oben betrachtet haben. Dieser niedrige Stromverbrauch ermöglicht es auch, dass der MAX6605 direkt von einem Mikrocontroller oder einem anderen Logikgerätepin mit Strom versorgt werden kann, was sein autonomes Ein- und Ausschalten zur Optimierung des Stromverbrauchs erleichtert.

Beim Lesen des Datenblatts fand ich es interessant, dass darin angegeben wird, dass das Gerät 572 Transistoren enthält. Texas Instruments bietet diese Art von Informationen in ihren Temperatursensor-Datenblättern nicht an. Dennoch zeigt es, wie viel mehr in einem integrierten Schaltungstemperatursensor vor sich geht, verglichen mit den Schaltungen, die wir zuvor betrachtet haben, die ein resistives Element und einen Operationsverstärker enthalten. Zum Vergleich: Der Operationsverstärker LM741 enthält nur 20 Transistoren. Dies zeigt, dass Temperatursensoren, obwohl sie recht einfach erscheinen mögen, tatsächlich ziemlich komplizierte Geräte sind.

Der MAX6605 empfiehlt einen Eingangs-Entkopplungskondensator von 0,1 µF, während die anderen Sensoren, die wir betrachtet haben, beide auch ohne Eingangskondensator zufriedenstellend funktionieren können.

Da im Datenblatt kein Hinweis auf das Hinzufügen eines Ausgangskondensators gegeben wird, werde ich für den MAX6605 keinen hinzufügen.

Das PCB für den MAX6605 ist schön einfach, mit nur dem Entkopplungskondensator und dem Sensor-IC, die hinzugefügt werden müssen.

Fazit

Analoge Temperatursensor-ICs sind eine einfache Möglichkeit, Ihrem Schaltkreis einen relativ präzisen Sensor hinzuzufügen, egal ob Sie die Umgebungstemperatur oder die Temperatur einer spezifischen Komponente oder eines Bereichs Ihrer Platine messen möchten. Da viele Optionen keine externe Schaltung erfordern, bieten sie eine hochkompakte und kosteneffektive Lösung.

In diesem Artikel haben wir uns nur drei Sensoren von den Hunderten von Geräten angesehen, die regelmäßig von den großen Lieferanten auf Lager gehalten werden. Sie sollten sich die auf Octopart verfügbaren analogen Temperatursensoren ansehen, um eine Vorstellung von der Bandbreite der angebotenen Fähigkeiten zu bekommen. Es gibt eine passende Option für jedes Budget und jede Anwendung, die Sie sich vorstellen können, egal ob Sie einen Spannungsausgang ähnlich dem, den wir hier betrachtet haben, oder eine Stromquelle, die sich mit der Temperatur ändert, wünschen.

In meinem Kopf, mit der riesigen Auswahl an Kommunikationsschnittstellen, die auf modernen Mikrocontrollern und anderen Logikbausteinen verfügbar sind, wäre ein analoger Temperatursensor typischerweise nur zusammen mit anderer analoger Schaltungstechnik nützlich oder wenn Ihr Budget von primärer Bedeutung wäre. Analoge Temperatursensoren sind perfekt geeignet, um Thermostate zu erstellen, die einen Ventilator einschalten, wenn eine Leiterplatte zu heiß wird, oder eine Heizung einschalten, wenn eine Platine zu kalt wird. Diese Funktionalität mit Schaltungstechnik statt mit Firmware zu bauen, kann die Entwicklungszeit für nicht konfigurierbare Optionen reduzieren, Taktzyklen sparen und auch die Zuverlässigkeit erhöhen. Indem wir uns nicht darauf verlassen müssen, dass Code das tut, was getan werden muss, wenn es getan werden muss, können wir sicherstellen, dass das thermische Management der Platine reibungslos weiterläuft, egal was das Logikbauteil gerade macht. Wir müssen uns keine Sorgen machen, ob zum Beispiel der Code hängengeblieben ist oder zu beschäftigt ist, um sich rechtzeitig um einen durch ein thermisches Problem verursachten Interrupt zu kümmern.

Im nächsten Artikel werden wir uns digitale Temperatursensoren anschauen. Diese eignen sich perfekt, um hochpräzise Temperaturmessungen in die Verarbeitung eines Mikrocontrollers zu integrieren. Egal, ob Sie eine Temperatur melden/protokollieren, sie einem Benutzer anzeigen oder einige andere Aktionen auf Basis absoluter oder sich ändernder Temperaturen durchführen müssen. Ein digitaler Temperatursensor kann es Ihnen ermöglichen, ADC-Kalibrierungen zu überspringen und die exakt gemessene Temperatur direkt in den Speicher zu übertragen.

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