온도 센서 프로젝트: 아날로그 온도 센서 IC들

이 기사에서는 온도를 측정하는 것에 관한 일련의 기사 중 네 번째 온도 센서 클래스를 살펴보고 있습니다. 소개에서, 우리는 다양한 유형의 온도 센서를 테스트하기 위해 쌓을 수 있는 아날로그 또는 디지털 센서 카드를 개발할 수 있게 해줄 프로젝트 템플릿 세트를 만들었습니다. 시리즈의 끝에서, 우리는 이들을 위한 호스트 보드 세트를 구축할 것이며, 이를 통해 다양한 센서 유형뿐만 아니라 이러한 센서의 다양한 구현에 대한 성능과 정확성을 비교할 수 있게 됩니다.

이 시리즈에서는 다양한 온도 센서를 살펴볼 것입니다. 우리는 그들의 장단점뿐만 아니라 그들의 구현을 위한 일반적인 토폴로지에 대해서도 이야기할 것입니다. 시리즈는 다음을 다룰 것입니다:

• 음온계수(NTC) 서미스터
• 양온계수(PTC) 서미스터
• 저항 온도 검출기(RTD)
• 아날로그 온도 센서 IC
• 디지털 온도 센서 IC
• 열전대

오늘은 아날로그 온도 센서 집적 회로를 살펴보겠습니다 - 이전 기사와 달리 회로마다 하나의 구현만 있을 것입니다. 이 집적 회로는 저항 요소를 사용하여 온도 감지를 할 때 우리가 직접 처리해야 했던 선형화와 증폭을 모두 처리합니다. 이 센서들은 내부적으로 다양한 토폴로지와 센서 유형을 가질 수 있지만, 그 내부 구현은 우리에게 중요하지 않습니다. 모두 상대적으로 선형적인 출력을 제공하며, 이는 마이크로컨트롤러의 아날로그 디지털 변환기(ADC)나 아날로그 회로와 직접 사용하기에 적합합니다.

지원 구성 요소가 소수만 필요하고, 높은 정밀도와 편리한 출력 전압을 갖추고 있어, 아날로그 센서 IC를 사용하는 것이 우리가 이미 살펴본 이산 센싱 요소 중 하나를 사용하여 자체 구현하는 것보다 훨씬 더 비용이 많이 들 것이라고 생각할 수 있습니다. 일반적으로 반대입니다. 아날로그 온도 센서 IC를 회로에 추가하는 비용은 가장 기본적인 이산 구성 요소 기반 온도 센서의 구현보다 낮으며, 출력은 훨씬 더 정밀하고 선형적일 것입니다.

제 프로젝트와 마찬가지로, 이 프로젝트의 세부 사항, 회로도, 보드 파일은 다른 온도 센서 구현과 함께 GitHub에서 찾을 수 있습니다. 이 프로젝트는 개인이나 상업적 목적으로 디자인이나 그 일부를 자유롭게 사용할 수 있게 하는 오픈 소스 MIT 라이선스 하에 공개되었습니다.

위에 보이는 PCB 디자인은 Altium 365 Viewer에서 읽게 될 내용입니다. Altium 365 Viewer는 동료, 고객, 친구들과 연결할 수 있는 무료 방법으로, 디자인을 보거나 버튼 하나로 다운로드할 수 있습니다! 디자인을 몇 초 만에 업로드하고 무거운 소프트웨어나 컴퓨터 성능 없이도 심층적으로 살펴볼 수 있는 상호 작용적인 방법을 제공합니다.

아날로그 온도 센서 IC

이전 기사에서 살펴본 센서 유형의 다양한 구현 옵션을 보면, 수동 구성 요소를 사용할 때 온도 감지가 상당히 어려운 작업처럼 생각될 수 있습니다. 온도와 밀접하게 관련된 단순한 선형 전압을 원한다면, 아날로그 온도 센서를 살펴보는 것이 가장 좋을 수 있습니다. 아날로그 전압을 사용하면 마이크로컨트롤러 ADC 핀을 사용하여 온도를 샘플링할 수 있습니다. 또는, 마이크로컨트롤러나 다른 디지털 장치를 사용하지 않고도 온도 제어나 안전 기능을 제공하기 위해 비교기와 같은 다른 아날로그 회로에 출력을 공급할 수 있습니다.

내부적으로, 이러한 센서는 일반적으로 우리가 이전에 살펴본 수동 구성 요소와 매우 유사하게 작동합니다. 그러나, 출력을 선형화하기 위한 보상이 내장되어 있습니다. 출력이 완벽하게 선형이 아닐 때, 데이터시트는 일반적으로 전압을 온도로 정확하게 변환할 수 있는 공식을 포함하여 센서를 실험실 테스트하여 보상 변수를 결정할 필요 없이 이 과정을 크게 단순화합니다. 이는 저항 요소와 연산 또는 계측 증폭기를 사용하여 회로를 구성하는 것에 비해 공학 과정을 크게 단순화합니다.

이러한 편리함에도 불구하고, 아날로그 집적 회로 온도 센서는 비교 가능한 수준의 정확도/정밀도를 가진 수동 구성 요소보다 저렴합니다. 전압 분배기 이외의 어떤 구현의 비용으로도 아날로그 센서를 구입할 수 있습니다. IC의 감지 온도 범위는 RTD보다는 제한적이지만, 서미스터가 광고하는 범위와 유사합니다. 센서의 실리콘과 보드나 전선에 납땜되는 경향이 최대 온도의 제한 요소가 될 것입니다. 그럼에도 불구하고, 최소 및 최대 감지 범위는 일반적으로 -55°C와 150°C 사이일 수 있습니다. 이 온도 범위는 다른 전자 장치가 작동하는 위치에서 환경 조건을 감지해야 하는 대부분의 프로젝트에 충분해야 합니다.

이 프로젝트에서는 다양한 작동 온도와 정밀도를 가지며 넓은 입력 전압 범위를 가진 세 가지 다른 센서를 살펴볼 것입니다.

이 장치들은 가격과 성능의 폭넓은 범위를 보여주기 위해 선택되었습니다. 이 시리즈의 마지막 기사에서는, 운영 온도 등급을 넘어서 그들이 전체 감지 범위와 그 너머에서 어떻게 반응하는지 살펴볼 것입니다.

아날로그 센서 구현: Texas Instruments LMT87DCKT

Texas Instruments의 LMT87은 작은 SC-70 크기의 CMOS 온도 센서입니다. 이 프로젝트에서 조사 중인 모든 아날로그 센서 중에서 LMT87은 0.4%의 가장 높은 전형적 정확도를 가지고 있습니다. 하지만, 최악의 경우 정확도인 +/- 2.7°C도 다른 센서들보다 앞서 있습니다. 2.7 V 전원을 사용할 때 다른 센서들보다 대기 전류도 낮지만, 전원 켜는 시간이 단 0.7 밀리초에 불과합니다. 이는 온도 측정을 하기 바로 전에 전원을 순환시키면 더욱 전력 효율적이라는 것을 의미하며, 이로 인해 저전력/전력 제한 애플리케이션에 이상적인 센서가 됩니다. 장치의 매우 낮은 전력 소비로 인해, 마이크로컨트롤러나 다른 로직 장치에서 직접 전원을 공급할 수 있으며, IO 핀의 최대 등급을 초과할 걱정 없이 사용할 수 있습니다. 낮은 전압 애플리케이션의 경우, 1.5 V까지 전원을 지원하는 LMT8x 시리즈의 장치들이 더 있지만, 감소된 전원 전압 범위에 맞춰 감소된 이득을 가지고 있습니다.

LMT87은 자동차용으로 인증된 변형 모델도 있음을 언급할 가치가 있으며, 이는 일부 사용자에게 유용할 수 있습니다.

이 센서의 구현을 위해, 저는 해제 커패시터와 출력 커패시터를 추가하고 있습니다. 데이터시트에는 둘 다 필요하지 않다고 명시되어 있지만, 우리는 이 센서가 테스트에서 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 하고 싶습니다. 출력 커패시터는 엄밀히 필요한 것은 아니지만, SAR에서 ADC로 전환하면서 샘플링할 때 순간적인 전류를 끌어올 수 있게 합니다. 이는 온도 센서가 온도 측정을 위해 필요한 순간 전류를 공급할 수 없을 경우 출력 전압이 올바른 위치에 있도록 유지하는 데 부정적인 영향을 주지 않습니다. 두 커패시터 부품 번호는 이미 이 시리즈의 다른 프로젝트에 사용되고 있으므로, 총 비용이나 주문해야 할 부품 수에 크게 영향을 미치지 않을 것입니다.

데이터시트는 우리가 사용하는 구성 요소의 표면 실장 변형에 대한 제안된 레이아웃을 친절하게 제공합니다. 그러나 저는 약간 벗어났습니다. 데이터시트에서 접지 및 전원 평면에 연결하도록 제안하는 곳에서, 저는 대신 트레이스에 연결하고 있습니다. 저는 하단 레이어에 접지 플레인을 추가하고 싶지 않습니다. 왜냐하면 이것이 나중에 시리즈에서 수행할 온도 테스트/비교의 결과에 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 접지 플레인이 있으면, 그 열 질량/전도성으로 인해 LMT87 센서 아래에는 존재하지만 우리가 사용하는 다른 감지 요소들 아래에는 존재하지 않아 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서, 센서 성능을 정확하게 보여주지 않을 것입니다.

3D 뷰에서 볼 수 있듯이, 이 시리즈의 이전에 작업한 다른 디자인과 같은 위치에 센서를 배치했습니다. 저는 IC 옆에 전원 공급 장치 디커플링 캐패시터를 배치했습니다. 그러나 아날로그 출력용 디커플링 캐패시터는 커넥터 옆에 배치했습니다. 여기서 가장 유용하게 작동할 수 있습니다.

보드 모양과 연결은 모두 이 시리즈의 첫 번째 부분에서 생성한 프로젝트/보드 템플릿에 의해 제공됩니다, 온도 센서 프로젝트: 소개.

아날로그 센서 구현: 텍사스 인스트루먼트 LM62

텍사스 인스트루먼트의 LM62는 90년대 말부터 있었으며 오늘날까지도 여전히 관련성이 있습니다. 정확도와 감지 범위가 다른 센서보다 좋지 않음에도 불구하고, 많은 응용 프로그램에서 여전히 매우 실용적인 센서입니다. 위에서 살펴본 LMT87은 LM62보다 더 정확하고, 더 낮은 전류를 소모하며, 훨씬 더 현대적이면서도 더 낮은 비용으로 제공됩니다 - 그렇다면 왜 이 목록에 LM62를 포함시키는 걸까요? 측정 가능한 자체 발열 효과와 제한된 온도 감지 범위의 단점이 있음에도 불구하고 여전히 비교적 흔하게 사용되는 구성 요소를 포함시키는 것이 이 연습에 흥미로울 것이라고 생각했습니다.

그러나 LM62는 15.6 mV/°C의 더 큰 센서 이득과 최대 10 V까지 확장되는 운영 전압 범위와 같은 몇 가지 장점이 있습니다. 또한, 제한된 온도 범위로 인해 최대 감지 온도인 90°C에서의 출력 전압은 1.884 V입니다. 이를 통해 운영 증폭기나 계측 증폭기를 사용하여 추가 이득을 적용할 수 있습니다. 이는 3.3 V 마이크로컨트롤러를 사용하거나 낮은 전압 논리 장치의 능력 내에서 전체 감지 범위가 있는 경우 전체 감지 범위에 걸쳐 더 높은 이득을 제공합니다.

LM62는 감지 온도 범위에서도 우수한 선형성을 가지며, 최대 편차는 단 0.8°C입니다.

LMT87과 마찬가지로, LM62는 모든 마이크로컨트롤러 또는 로직 장치의 IO 핀에서 구동될 수 있으며, 전류 소모량이 상당히 높음에도 불구하고 마이크로컨트롤러 핀이 공급할 수 있는 전력의 아주 작은 부분에 불과합니다.

LMT87과 같이, 저는 LM62에 대해 선택적인 커패시터를 구현하고 있습니다. LM62는 입력이나 출력에 디커플링 커패시터를 장착할 필요가 없지만, 데이터시트에는 소음이 많은 환경에서 사용하기 위한 필터에 대한 제안이 있습니다. 우리가 제작하는 평가 보드는 실제로 전자기적으로 소음이 많은 환경에 위치하지 않을 것입니다. 그러나 LM62의 응답 시간은 출력에서 1 uF 커패시터에 의해 형성된 RC 필터의 시간 상수보다 상당히 느립니다. 결과적으로, LM62의 전체 응답은 크게 영향을 받지 않을 것입니다.

이 글의 시작 부분에서 아날로그 제어 회로에 통합하기에 더 편리할 수 있으므로 디지털 센서보다 아날로그 센서를 사용하는 것을 선호할 수 있다고 언급했습니다. 구현 옵션과 데이터시트 권장 사항에 대해 이야기하는 중이므로, LM62의 데이터시트에는 제어 회로에서 다양하게 활용될 수 있는 좋은 온도 조절기 예가 있습니다. 이는 마이크로컨트롤러의 개입 없이 팬이나 히터를 켜는 데에도 사용될 수 있습니다.

보드는 LM87과 매우 유사하게 배치되어 있으며, 전원 공급 장치의 디커플링 커패시터가 센서 IC 옆에 있고, 센서의 출력 전압은 스택 커넥터 근처에서 디커플링됩니다.

아날로그 센서 구현: Maxim Integrated MAX6605MXK

Maxim Integrated의 MAX6605는 LMT87과 같은 작은 SC70 패키지에 있는 또 다른 현대적인 온도 센서입니다. 25°C에서 MAX6605의 온도 오차는 +/- 0.75°C입니다. 그러나 전체 범위에서 이 오차는 최대 +/- 5.8°C까지 증가하는데, 이는 -55°C에서 125°C의 감지 범위에 대한 것이므로 환상적으로 들리지 않을 수 있습니다. 대부분의 가정용 기기가 일반적으로 작동하는 0°C에서 70°C 범위에서는 온도 오차가 +/- 3.0°C입니다.

일반적인 ADC를 구동할 때, 온도 센서는 약 10 uA의 전류를 소모하는데, 이는 주변 온도 대비 다이 온도의 증가가 단지 0.0162°C에 불과하다는 것을 의미합니다. 이는 우리가 위에서 살펴본 LM62보다 훨씬 나은 성능입니다. 이러한 낮은 전력 소모는 MAX6605를 마이크로컨트롤러나 다른 로직 장치 핀에 직접 전원을 공급할 수 있게 하며, 이를 통해 전력 소모를 최적화하기 위해 자체적으로 켜고 끌 수 있습니다.

데이터시트를 읽으면서, 이 장치에 572개의 트랜지스터가 있다고 명시되어 있는 것이 흥미로웠습니다. 텍사스 인스트루먼츠는 그들의 온도 센서 데이터시트에 이러한 수준의 정보를 제공하지 않습니다. 그러나 이는 집적회로 온도 센서 내부에서 저항 요소와 연산 증폭기를 사용한 우리가 이전에 살펴본 회로들에 비해 훨씬 더 많은 일이 일어나고 있음을 보여줍니다. 비교를 위해, LM741 연산 증폭기는 단지 20개의 트랜지스터를 포함하고 있습니다. 이는 온도 센서가 비교적 단순해 보일 수 있지만, 실제로는 상당히 복잡한 장치라는 것을 보여줍니다.

MAX6605는 입력 디커플링 캐패시터로 0.1 uF를 권장하지만, 우리가 살펴본 다른 센서들은 입력 캐패시터 없이도 만족스럽게 작동할 수 있습니다.

데이터시트에서 출력 캐패시터 추가에 대한 제안이 없으므로, MAX6605에 대해서는 추가하지 않을 것입니다.

MAX6605용 PCB는 디커플링 캐패시터와 센서 IC만 추가하면 되므로 간단하고 명확합니다.

결론

아날로그 온도 센서 IC는 회로 기판에 상대적으로 정밀한 센서를 쉽게 추가할 수 있는 방법입니다. 주변 온도를 감지하거나 보드의 특정 구성 요소나 영역의 온도를 감지하고자 할 때 유용합니다. 외부 회로가 필요 없는 옵션이 많아 매우 컴팩트하고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.

이 글에서는 주요 공급업체에서 정기적으로 재고하는 수백 개의 장치 중 세 가지 센서만 살펴보았습니다. Octopart에서 사용 가능한 아날로그 온도 센서를 살펴보면 제공되는 기능 범위를 파악할 수 있습니다. 여기서 살펴본 것과 유사한 전압 출력을 원하든, 온도에 따라 변하는 전류 소스를 원하든, 생각할 수 있는 모든 예산과 응용 프로그램에 적합한 옵션이 있습니다.

제 생각에는 현대 마이크로컨트롤러와 기타 논리 장치에서 사용할 수 있는 다양한 통신 인터페이스를 고려했을 때, 아날로그 온도 센서는 다른 아날로그 회로와 함께 사용하거나 예산이 주요 고려사항인 경우에만 유용할 것입니다. 아날로그 온도 센서는 회로 기판이 너무 뜨거워질 때 팬을 가동하거나, 기판이 너무 차가워질 때 히터를 켜는 온도 조절기를 만드는 데 완벽합니다. 회로를 사용하여 이러한 기능을 구축하면, 구성이 불가능한 옵션의 개발 시간을 줄이고, 클록 사이클을 절약하며, 신뢰성도 향상시킬 수 있습니다. 필요할 때 해야 할 일을 코드에 의존하지 않음으로써, 논리 장치가 무엇을 하고 있든 관계없이 보드의 열 관리가 계속 원활하게 실행될 수 있도록 할 수 있습니다. 예를 들어, 코드가 멈추었거나 열 문제로 인한 인터럽트를 적시에 처리하기에는 너무 바쁜 경우에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

다음 기사에서는 디지털 온도 센서에 대해 살펴볼 예정입니다. 이 센서들은 마이크로컨트롤러의 처리 과정에 고정밀 온도 측정을 통합하기에 완벽합니다. 온도를 보고하거나 기록하고, 사용자에게 표시하거나, 절대 온도나 온도 변화에 기반한 다른 작업을 수행해야 할 경우에도 마찬가지입니다. 디지털 온도 센서를 사용하면 ADC 보정 과정을 건너뛰고 정확한 감지된 온도를 직접 메모리로 전송할 수 있습니다.

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