温度センサープロジェクト：アナログ温度センサーIC

この記事では、温度を測定することについての一連の記事の中で、第4クラスの温度センサーを見ていきます。導入では、さまざまなタイプの温度センサーをテストするためのスタッカブルなアナログまたはデジタルセンサーカードを開発できるプロジェクトテンプレートを作成しました。シリーズの最後には、これらのセンサーの異なるタイプだけでなく、これらのセンサーのさまざまな実装の性能と精度を比較できるようにするホストボードのセットを構築します。

このシリーズでは、幅広い範囲の温度センサーを見ていくことになります。それらの利点と欠点、および実装のための一般的なトポロジーについて話し合います。シリーズでは、以下をカバーします：

• 負温度係数（NTC）サーミスタ
• 正温度係数（PTC）サーミスタ
• 抵抗温度検出器（RTD）
• アナログ温度センサーIC
• デジタル温度センサーIC
• 熱電対

今日は、アナログ温度センサーの集積回路について見ていきます。前回の記事とは異なり、回路ごとに実装は1つだけです。これらの集積回路は、温度センシングに抵抗素子を使用する際に自分たちで行わなければならなかった線形化や増幅をすべて処理します。これらのセンサーは内部的にはさまざまなトポロジーやセンサータイプを持っているかもしれませんが、その内部実装は私たちにとっては重要ではありません。すべてのセンサーは、マイクロコントローラーのアナログ・デジタル変換器（ADC）やアナログ回路と直接使用するのに適した比較的線形の出力を提供します。

必要なサポート部品が少なく、高精度で便利な出力電圧を考えると、アナログセンサーICを使用することが、既に見てきた離散センシング要素の1つを使用して自分で実装するよりも大幅に高価になると思うかもしれません。一般的には、その逆が真です。アナログ温度センサーICを回路に追加することは、最も基本的な離散コンポーネントベースの温度センサーの実装を除いて、低コストで可能であり、出力ははるかに正確で線形になります。

私のプロジェクト全てにおいて、プロジェクトの詳細、回路図、ボードファイルはGitHub上で他の温度センサーの実装と共に見つけることができます。このプロジェクトはオープンソースのMITライセンスの下で公開されており、個人的な目的でも商業目的でも、ご希望に応じて設計やその一部を使用することができます。

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アナログ温度センサーIC

これまで見てきた前述のセンサータイプの多くの実装オプションを考えると、受動部品を使用して温度を感知することはかなりの労力が必要だと思うかもしれません。単に温度と密接に相関する単純な線形電圧が欲しいだけなら、アナログ温度センサーを検討するのが最適かもしれません。アナログ電圧を使用すると、マイクロコントローラのADCピンを使用して温度をサンプリングできます。または、マイクロコントローラーや他のデジタルデバイスを使用せずに温度制御や安全機能を提供するために、比較器などの他のアナログ回路に出力を供給することもできます。

内部的には、これらのセンサーは以前見てきた受動部品とかなり似た方法で動作することが一般的です。しかし、出力を線形化するための内蔵補償があります。出力が完全に線形でない場合、データシートには通常、補償変数を決定するためにセンサーを実験室でテストする必要なく、電圧を温度に正確に変換するための式が含まれています。これにより、抵抗素子とオペレーショナルアンプや計測アンプを使用して回路を構築する場合と比較して、エンジニアリングプロセスが大幅に簡素化されます。

この利便性にもかかわらず、アナログ集積回路温度センサーは、比較可能な精度/精密さを持つ私たちが見てきた受動部品よりも安価です。電圧分割器以外の実装のコストで、アナログセンサーを購入することができます。ICの感温範囲はRTDよりも限定されていますが、サーミスターの広告された範囲に似ています。センサーのシリコンと、それらが基板やワイヤーにはんだ付けされる傾向があることが、最高温度の制限要因となりますが、にもかかわらず、最小および最大の感温範囲は通常、-55°Cから150°Cの間になります。この温度範囲は、他の電子デバイスが動作している場所の環境条件を感知する必要があるほとんどのプロジェクトにとって十分であるはずです。

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このプロジェクトでは、さまざまな動作温度と精度を持ち、幅広い入力電圧範囲を持つ3つの異なるセンサーを見ていきます。

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これらのデバイスは、価格と性能の幅広い範囲を示すために選ばれました。このシリーズの最終記事では、それらを動作温度範囲を超えてテストし、全感知範囲およびそれを超える範囲での反応を見ていきます。

アナログセンサー実装：Texas Instruments LMT87DCKT

Texas InstrumentsのLMT87は、小型のSC-70サイズのCMOS温度センサーです。このプロジェクトで調査しているアナログセンサーの中で、LMT87は最も高い典型的な精度を0.4%で持っています。しかし、最悪の場合の精度でも+/- 2.7°Cであり、他のセンサーよりも優れています。静止電流も他のセンサーより低く、少なくとも2.7Vの電源を使用する場合には、電源オン時間もわずか0.7ミリ秒です。これにより、温度測定を行う直前に電源を入れるようにすると、さらに省電力で効率的になり、低電力/電力制約のあるアプリケーションに最適なセンサーとなります。デバイスの非常に低い消費電力により、マイクロコントローラーや他のロジックデバイスから直接電源を供給することができ、IOピンの最大定格を超える心配がありません。低電圧アプリケーションの場合、供給電圧範囲が低下するとともにゲインが低下するものの、1.5Vまでの電源で動作するLMT8xシリーズのデバイスがさらに選択肢としてあります。

LMT87は、自動車用に認定されたバリアントも利用可能であることにも注目です。これは、一部のユーザーにとって有用かもしれません。

このセンサーの実装にあたり、デカップリングキャパシタと出力キャパシタを追加しています。データシートにはどちらも必要ないと記載されていますが、テストでこのセンサーが最高の性能を発揮できるようにしたいと考えています。出力キャパシタは厳密には必要ありませんが、SARからADCへのサンプリング時に一時的に電流を引き出すことを可能にします。これにより、温度センサーが必要な瞬間電流を供給できない場合でも、温度読み取りのために出力電圧を適切な位置に保つことができます。両方のキャパシタの部品番号は、このシリーズの他のプロジェクトで既に使用されているため、総コストや発注が必要な部品の数に大きな影響を与えることはありません。

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データシートには、私たちが使用しているコンポーネントの表面実装バリアントに対する推奨レイアウトが親切にも提供されていますが、私はそれから少し逸脱しました。データシートがグラウンドと電源プレーンへの接続を提案しているところで、私はトレースに接続しています。底層にグラウンドプアを追加したくないのは、後で行う温度テスト/比較の結果に影響を与える可能性があるからです。LMT87センサーの下には熱質量/伝導性を持つグラウンドプアが存在しますが、私たちが使用している他のセンシング要素の下には存在しないため、結果に影響を与える可能性があります。したがって、センサーの性能を正確に示すことはできません。

3Dビューで、この記事シリーズで以前に取り組んだ他のデザインと同じ位置にセンサーを配置したことがわかります。ICの隣に電源供給デカップリングキャパシタを配置しました。しかし、アナログ出力用のデカップリングキャパシタは、最も効果的なコネクタの隣に配置しました。

ボードの形状と接続は、このシリーズの第一部で作成したプロジェクト/ボードテンプレートによってすべて提供されています。温度センサープロジェクト：イントロ.

アナログセンサーの実装：テキサス・インスツルメンツ LM62

テキサス・インスツルメンツのLM62は90年代の終わりから存在していますが、今日でもまだ関連性があります。その精度や感知範囲は他のセンサーほど良くはありませんが、多くのアプリケーションにとって非常に実用的なセンサーです。上で見たLMT87は、LM62よりも精度が高く、電流を少なく消費し、はるかに現代的で、さらに低コストで入手可能です - では、なぜこのリストにLM62を含めるのでしょうか？この演習には、まだ比較的一般的でありながら、測定可能な自己加熱効果と限定された温度感知範囲の欠点を持つコンポーネントを含めることが興味深いと思いました。

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しかし、LM62にはいくつかの利点もあります。たとえば、センサーのゲインが15.6 mV/°Cと大きく、動作電圧範囲が最大10 Vまで広がっています。さらに、限定された温度範囲では、最大感知温度90°Cでの出力電圧は1.884 Vです。これにより、オペアンプや計測用アンプを使用して追加のゲインを適用することができます。これにより、3.3 Vのマイクロコントローラーを使用している場合や、低電圧ロジックデバイスの能力内にある全感知範囲にわたって、さらに高いゲインを提供します。

LM62は、その感知温度範囲においても優れた線形性を持っており、最大偏差はわずか0.8°Cです。

LMT87と同様に、LM62は任意のマイクロコントローラーやロジックデバイスのIOピンから電源を供給することができます。ただし、その電流消費量はかなり高いですが、マイクロコントローラーピンが供給できる電力のごく一部です。

LMT87の上記と同様に、LM62にはオプショナルなキャパシタを実装しています。LM62は入力または出力にデカップリングキャパシタを装着する必要はありませんが、データシートには騒がしい環境で使用するためのフィルターの提案があります。私たちが構築する評価ボードは、実際には電磁的に騒がしい環境に置かれることはありません。しかし、LM62の応答時間は、出力に形成されるRCフィルター（1 uFキャパシタによる）の時定数よりもかなり遅いです。その結果、LM62の全体的な応答は大きく影響を受けません。

この記事の冒頭で、アナログセンサーをデジタルセンサーよりも好むかもしれないと述べました。それは、アナログ制御回路に組み込むのに便利だからです。実装オプションとデータシートの推奨事項について話しているので、LM62のデータシートには、制御回路で多くのアプリケーションが考えられる、素敵なサーモスタットの例があります。これは、マイクロコントローラーの介入なしにファンやヒーターをオンにするだけでも使用できます。

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基板はLM87と非常に似ており、電源供給のデカップリングキャパシタがセンサーICの隣にあり、センサーの出力電圧はスタッキングコネクタの近くでデカップリングされています。

アナログセンサーの実装：Maxim Integrated MAX6605MXK

Maxim IntegratedのMAX6605は、LMT87と同じ小さなSC70パッケージの、もう一つの現代的な温度センサーです。25°CでのMAX6605の温度誤差は±0.75°Cです。しかし、その全範囲にわたって、この誤差は最大で±5.8°Cに増加します。これは素晴らしいとは思えないかもしれませんが、これは-55°Cから125°Cの感知範囲に対してです。ほとんどの家庭用機器が一般的に動作する0°Cから70°Cの範囲では、その温度誤差は±3.0°Cです。

典型的なADCを駆動する際、温度センサーは約10uAの電流を消費し、これは周囲温度よりもダイ温度がわずか0.0162°C上昇することを意味します。これは、上で見たLM62よりもはるかに優れています。この低消費電力は、MAX6605をマイクロコントローラーや他のロジックデバイスのピンから直接電源を供給できるようにし、電力消費を最適化するために自動的にオン/オフを切り替えることを容易にします。

データシートを読んで、デバイスに572個のトランジスタがあると記載されていることが興味深いと思いました。テキサス・インスツルメンツは、彼らの温度センサーのデータシートにこのレベルの情報を持っていません。しかし、これは、抵抗素子とオペアンプを使用した以前に見た回路と比較して、集積回路温度センサーの内部で何が起こっているかを示しています。比較のために、LM741オペアンプにはたった20個のトランジスタが含まれています。これは、温度センサーが比較的単純に見えるかもしれませんが、実際にはかなり複雑なデバイスであることを示しています。

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MAX6605は、入力デカップリングコンデンサとして0.1uFを推奨していますが、他のセンサーは入力コンデンサなしでも満足に動作できます。

データシートに出力コンデンサを追加する提案がないので、MAX6605には追加しません。

MAX6605のPCBは、デカップリングキャパシタとセンサーICを追加するだけで、非常にシンプルでわかりやすいです。

結論

アナログ温度センサーICは、周囲温度や基板の特定の部品やエリアの温度を感知したい場合に、比較的正確なセンサーを回路基板に簡単に追加する方法を提供します。外部回路を必要としないオプションが多数あるため、非常にコンパクトでコスト効率の高いソリューションを提供します。

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この記事では、主要なサプライヤーによって定期的に在庫されている数百のデバイスのうち、わずか3つのセンサーを見てきました。アナログ温度センサーの能力の範囲を把握するために、Octopartで利用可能なアナログ温度センサーをチェックしてみるべきです。ここで見てきたような電圧出力を求めている場合でも、温度に応じて変化する電流源を求めている場合でも、考えられるすべての予算とアプリケーションに適したオプションがあります。

私の考えでは、現代のマイクロコントローラーやその他のロジックデバイスに利用可能な通信インターフェースの広範囲にわたって、アナログ温度センサーは通常、他のアナログ回路と共に、または予算が主要な関心事である場合にのみ有用でしょう。アナログ温度センサーは、回路基板が熱すぎるときにファンを起動させたり、基板が冷えすぎたときにヒーターをオンにするためのサーモスタットを作成するのに最適です。この機能をファームウェアではなく回路で構築することで、非設定可能なオプションの開発時間を短縮し、クロックサイクルを節約し、信頼性も向上させることができます。必要なときに必要なことを行うためにコードに依存しなくても、ロジックデバイスが何をしていても、基板の熱管理がスムーズに続けられることを保証できます。たとえば、コードがロックアップしている場合や、熱問題による割り込みをタイムリーに処理するのに忙しすぎる場合でも、心配する必要はありません。

次の記事では、デジタル温度センサーについて見ていきます。これらは、マイクロコントローラの処理に高精度の温度測定を統合するのに最適です。温度を報告・記録する必要がある場合、ユーザーに表示する場合、または絶対温度や温度変化に基づいて何らかのアクションを実行する場合などです。デジタル温度センサーを使用すると、ADCの校正をスキップして、直接メモリに正確な感知温度を転送できます。

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