Проект датчика температуры: Интегральные схемы аналоговых датчиков температуры

В этой статье мы рассматриваем четвертый класс датчиков температуры в серии статей, посвященных измерению температуры. В введении мы создали набор шаблонов проектов, которые позволят нам разрабатывать стекируемые, аналоговые или цифровые карты датчиков для тестирования различных типов датчиков температуры. В конце серии мы будем строить набор базовых плат для них, что позволит нам сравнить производительность и точность не только различных типов датчиков, но и различных реализаций этих датчиков.

В этой серии мы собираемся рассмотреть широкий спектр датчиков температуры. Мы будем говорить о их преимуществах и недостатках, а также о распространенных топологиях их реализации. В серии будут рассмотрены:

• Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
• Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Датчики температуры сопротивления (RTD)
• Аналоговые интегральные схемы датчиков температуры
• Цифровые интегральные схемы датчиков температуры
• Термопары

Сегодня мы рассматриваем интегральные схемы аналоговых датчиков температуры - мы будем иметь дело только с одной реализацией на схему, в отличие от предыдущих статей. Эти интегральные схемы берут на себя всю линеаризацию и усиление, которые нам приходилось выполнять самостоятельно при использовании резистивного элемента для измерения температуры. Эти датчики могут внутренне иметь различные топологии и типы сенсоров, но их внутренняя реализация нас не касается. Все они обеспечивают относительно линейный выходной сигнал, который хорошо подходит для непосредственного использования с аналого-цифровым преобразователем (ADC) микроконтроллера или аналоговой схемотехникой.

С небольшим количеством необходимых вспомогательных компонентов, их высокой точностью и удобным выходным напряжением, можно подумать, что использование аналоговой интегральной схемы датчика будет значительно дороже, чем реализация собственного устройства на основе одного из уже рассмотренных дискретных сенсорных элементов. В общем, обстоит дело наоборот. Вы можете обычно добавить аналоговую интегральную схему датчика температуры в свою схему за меньшие деньги, чем стоила бы самая простая реализация датчика температуры на основе дискретных компонентов, и выходной сигнал будет гораздо более точным и линейным.

Как и во всех моих проектах, вы можете найти детали проекта, схемы и файлы платы на GitHub вместе с другими реализациями температурных датчиков. Проект распространяется под открытой лицензией MIT, которая позволяет вам использовать дизайны или любую их часть для личных или коммерческих целей, как вам угодно.

Выше представлен дизайн печатной платы, о котором вы будете читать в Altium 365 Viewer, бесплатном способе связи с коллегами, клиентами и друзьями с возможностью просмотра дизайна или загрузки одним нажатием кнопки! Загрузите свой дизайн за считанные секунды и получите интерактивную возможность подробно рассмотреть его без необходимости в громоздком программном обеспечении или мощном компьютере.

Интегральные схемы аналоговых температурных датчиков

С учетом множества вариантов реализации типов датчиков, которые мы рассмотрели в предыдущих статьях, вы можете подумать, что измерение температуры с использованием пассивных компонентов - это довольно сложная задача. Если вам нужен просто линейный напряженный сигнал, который тесно коррелирует с температурой, то лучше всего обратить внимание на аналоговый температурный датчик. Аналоговое напряжение позволяет измерять температуру с помощью АЦП-вывода микроконтроллера. Кроме того, вы можете использовать выходной сигнал для питания другой аналоговой схемы, например, компаратора, чтобы обеспечить контроль температуры или функции безопасности без необходимости использования микроконтроллера или другого цифрового устройства.

Внутренне эти датчики обычно работают довольно похоже на пассивные компоненты, которые мы рассматривали ранее. Однако они имеют встроенную компенсацию для линеаризации своих выходных сигналов. Когда выходной сигнал не идеально линеен, в техническом описании обычно содержится формула, позволяющая точно преобразовать напряжение в температуру без необходимости лабораторного тестирования датчика для определения переменных компенсации. Это значительно упрощает инженерный процесс по сравнению с квалификацией схемы, построенной с использованием резистивного элемента и операционных или измерительных усилителей.

Несмотря на это удобство, аналоговые интегральные схемы температурных датчиков дешевле, чем пассивные компоненты, которые мы рассматривали, с сопоставимыми уровнями точности/прецизионности. За стоимость любой реализации, отличной от делителя напряжения, вы могли бы купить аналоговый датчик. Диапазоны измерения температуры у таких ИС более ограничены, чем у ПТС, но они схожи с заявленным диапазоном для термистора. Кремний в датчиках и тот факт, что они обычно припаиваются к плате или проводам, будут ограничивающим фактором для максимальной температуры, тем не менее, несмотря на это, минимальный и максимальный диапазон измерения температуры обычно находится в пределах от -55°C до 150°C. Этот диапазон температур должен быть достаточным для подавляющего большинства проектов, которым необходимо измерять условия окружающей среды в месте, где работают другие электронные устройства.

Для этого проекта мы рассмотрим три разных датчика, которые имеют различные рабочие температуры и точности, а также широкий диапазон входного напряжения.

Эти устройства были выбраны для демонстрации широкого диапазона цен и характеристик. В заключительной статье этой серии мы будем испытывать их за пределами их рабочих температурных рейтингов, чтобы увидеть, как они реагируют на весь диапазон их чувствительности и даже за его пределами.

Реализация аналогового датчика: Texas Instruments LMT87DCKT

LMT87 от Texas Instruments - это маленький температурный датчик CMOS размером SC-70. Из всех аналоговых датчиков, которые мы рассматриваем для этого проекта, LMT87 имеет наивысшую типичную точность - 0,4%. Однако даже в худшем случае точность +/- 2,7°C все еще лучше, чем у других датчиков. При этом его покоящийся ток также ниже, чем у других, по крайней мере при использовании питания 2,7 В, а также имеет время включения всего 0,7 миллисекунды. Это делает его еще более энергоэффективным, если вы включаете питание непосредственно перед измерением температуры, что делает его идеальным датчиком для приложений с низким потреблением энергии/ограниченными по мощности. С очень низким энергопотреблением устройства, его можно питать напрямую от микроконтроллера или другого логического устройства, не беспокоясь о превышении максимальных норм для IO-пина. Для приложений с более низким напряжением существуют дополнительные варианты в серии устройств LMT8x, которые поддерживают работу с питанием до 1,5 В, однако с уменьшенным усилением из-за сниженного диапазона напряжения питания.

Стоит отметить, что LMT87 также доступен в варианте, квалифицированном для автомобильной промышленности, что может быть полезно для некоторых пользователей.

Для реализации этого датчика я добавляю развязывающий конденсатор и выходной конденсатор. В техническом описании указано, что ни один из них не требуется; однако, мы хотим предоставить этому датчику наилучшие возможности для демонстрации его возможностей в наших тестах. Выходной конденсатор строго говоря не нужен, но он позволяет SAR-АЦП потреблять ток короткими всплесками во время измерений. Это происходит без негативного влияния на показания в случае, если датчик температуры не может обеспечить необходимый мгновенный ток для поддержания выходного напряжения на должном уровне для измерения температуры. Номера обеих конденсаторов уже используются в других проектах этой серии, так что они не будут значительно увеличивать общую стоимость или количество компонентов, которые необходимо заказать.

Данный технический лист любезно предоставляет рекомендуемый макет для поверхностного монтажа компонента, который мы используем; однако, я немного отклонился от него. Там, где в техническом листе предлагается подключение к земле и питающим плоскостям, я подключаюсь к дорожкам. Я действительно не хочу добавлять заземляющий полигон на нижний слой, так как это может повлиять на результаты температурных тестов/сравнений, которые мы проведем позже в этой серии. Наличие заземляющего полигона с его тепловой массой/проводимостью под датчиком LMT87, но не под любыми другими датчиками, которые мы используем, может повлиять на результаты. Поэтому это не позволит точно продемонстрировать производительность датчика.

В 3D-просмотре вы можете видеть, что я разместил датчик в том же положении, что и в других конструкциях, над которыми мы работали ранее в этой серии статей. Я разместил декаплирующий конденсатор питания рядом с ИС. Однако, я разместил декаплирующий конденсатор для аналогового выхода рядом с разъемом, где он принесет наибольшую пользу.

Форма платы и соединения все предоставлены шаблоном проекта/платы, который мы создали в первой части этой серии, Проект датчика температуры: Введение.

Реализация аналогового датчика: Texas Instruments LM62

Микросхема Texas Instruments LM62 появилась в конце 90-х годов и до сих пор остается актуальной. Хотя ее точность и диапазон измерений не так велики, как у других датчиков, она все еще представляет собой весьма практичный датчик для многих приложений. Рассмотренный выше LMT87 более точен, потребляет меньший ток и значительно более современен, чем LM62, при этом стоит дешевле - так почему же LM62 включен в этот список? Мне показалось интересным для этого упражнения включить компонент, который все еще довольно распространен, но имеет недостатки, такие как заметный эффект самонагрева и ограниченный диапазон измерения температуры.

Тем не менее, у LM62 есть свои преимущества, такие как больший коэффициент усиления датчика, составляющий 15,6 мВ/°C, и рабочий диапазон напряжений, который достигает до 10 В. Кроме того, с ограниченным диапазоном температур выходное напряжение при максимальной температуре измерения 90°C составляет 1,884 В. Это позволяет применить дополнительное усиление с помощью операционного усилителя или инструментального усилителя. Это обеспечивает еще большее усиление на полном диапазоне измерений, если вы используете микроконтроллер на 3,3 В или полный диапазон измерений, который находится в пределах возможностей устройства с логикой на более низком напряжении.

LM62 также обладает отличной линейностью в диапазоне измеряемых температур, с максимальным отклонением всего 0,8°C.

Как и LMT87, LM62 может питаться от любого вывода IO микроконтроллера или логического устройства; хотя его потребление тока значительно выше, оно все же составляет лишь малую часть мощности, которую может обеспечить вывод микроконтроллера.

Как и в случае с LMT87 выше, я использую опциональные конденсаторы для LM62. LM62 не требует установки развязывающего конденсатора на входе или выходе; однако, в техническом описании есть предложение по фильтру для использования в условиях с высоким уровнем помех. Стенды для оценки, которые мы собираем, на самом деле не будут расположены в электромагнитно шумной среде. Тем не менее, время отклика LM62 значительно медленнее, чем постоянная времени RC-фильтра на выходе, образованного конденсатором на 1 мкФ. В результате, общий отклик LM62 не будет значительно затронут.

В начале этой статьи я упомянул, что вы можете предпочесть использование аналогового датчика вместо цифрового, поскольку это может быть более удобно для встраивания в аналоговые управляющие схемы. Поскольку мы говорим о вариантах реализации и рекомендациях по техническим данным - в техническом описании для LM62 есть хороший пример термостата, который может найти множество применений в управляющих схемах, даже просто для включения вентилятора или обогревателя без необходимости вмешательства микроконтроллера.

Плата выполнена очень похоже на LM87, с декаплирующим конденсатором источника питания рядом с микросхемой датчика и выходным напряжением датчика, декаплированным возле соединительных разъемов.

Реализация аналогового датчика: Maxim Integrated MAX6605MXK

MAX6605 от Maxim Integrated - это еще один современный температурный датчик в том же маленьком корпусе SC70, что и LMT87. При 25°C MAX6605 имеет погрешность температуры +/- 0.75°C. Однако на всем его диапазоне эта погрешность увеличивается до максимума +/- 5.8°C, что может показаться не очень замечательным, хотя это для диапазона измерения от -55°C до 125°C. В диапазоне от 0°C до 70°C, где большинство бытовых устройств обычно работает, его погрешность температуры составляет +/- 3.0°C.

При работе с типичным АЦП датчик температуры будет потреблять около 10 мкА тока, что соответствует увеличению температуры кристалла над окружающей средой всего на 0,0162°C, что гораздо лучше, чем у рассмотренного нами ранее LM62. Это низкое энергопотребление также делает MAX6605 способным питаться непосредственно от вывода микроконтроллера или другого логического устройства, что может облегчить его автономное включение и выключение для оптимизации потребления энергии.

Читая техническое описание, мне показалось интересным, что в нем указано наличие 572 транзисторов в устройстве. В технических описаниях датчиков температуры от Texas Instruments нет такого уровня информации. Тем не менее, это показывает, насколько больше процессов происходит внутри интегрального датчика температуры по сравнению с рассмотренными нами ранее схемами с резистивным элементом и операционным усилителем. Для сравнения, операционный усилитель LM741 содержит всего 20 транзисторов. Это показывает, что, хотя датчики температуры могут казаться довольно простыми, на самом деле они довольно сложные устройства.

MAX6605 рекомендует использовать входной развязывающий конденсатор емкостью 0,1 мкФ, в то время как другие рассмотренные нами датчики могут работать удовлетворительно и без входного конденсатора.

Поскольку в техническом описании нет предложений по добавлению выходного конденсатора, я не буду добавлять его для MAX6605.

Печатная плата для MAX6605 проста и понятна, требуется добавить только развязывающий конденсатор и микросхему датчика.

Заключение

Аналоговые микросхемы температурных датчиков - это простой способ добавить относительно точный датчик на вашу плату, независимо от того, хотите ли вы измерять окружающую температуру или температуру конкретного компонента или области вашей платы. Многие варианты не требуют внешней схемы, что делает их высоко компактным и экономически выгодным решением.

В этой статье мы рассмотрели только три датчика из сотен устройств, которые регулярно поставляются крупными поставщиками. Вам следует посмотреть на аналоговые температурные датчики, доступные на Octopart , чтобы получить представление о диапазоне предлагаемых возможностей. Есть подходящий вариант на любой бюджет и для любого приложения, которое вы можете придумать, будь то выходное напряжение, подобное тому, что мы здесь рассмотрели, или источник тока, изменяющийся в зависимости от температуры.

На мой взгляд, учитывая огромный выбор интерфейсов связи, доступных на современных микроконтроллерах и других логических устройствах, аналоговый датчик температуры обычно мог бы быть полезен лишь в сочетании с другой аналоговой схемотехникой или если бы ваш бюджет был основным критерием. Аналоговые датчики температуры идеально подходят для создания термостатов для включения вентилятора, когда печатная плата перегревается, или для включения обогревателя, когда плата становится слишком холодной. Реализация этой функциональности с помощью схемотехники, а не программного обеспечения, может сократить время разработки для не настраиваемых опций, сэкономить тактовые циклы и также повысить надежность. Не полагаясь на код для выполнения необходимых действий в нужное время, мы можем гарантировать, что термическое управление платы будет продолжать работать без сбоев, независимо от того, что делает логическое устройство. Нам не приходится беспокоиться о том, что, например, код завис или слишком занят, чтобы вовремя обработать прерывание, вызванное тепловой проблемой.

В следующей статье мы рассмотрим цифровые датчики температуры. Они идеально подходят для интеграции высокоточных измерений температуры в обработку микроконтроллера. Будь то необходимость сообщать/регистрировать температуру, отображать её пользователю или выполнять какие-либо другие действия на основе абсолютных значений или изменений температуры. Наличие цифрового датчика температуры позволяет вам избежать калибровки АЦП и получить точное измеренное значение температуры непосредственно в память.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту Altium.