Dự án Cảm biến Nhiệt độ: IC Cảm biến Nhiệt độ Tương tự

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét loại cảm biến nhiệt độ thứ tư trong loạt bài viết về việc đo lường nhiệt độ. Trong phần giới thiệu, chúng tôi đã tạo ra một bộ mẫu dự án sẽ cho phép chúng tôi phát triển các thẻ cảm biến có thể xếp chồng, tương tự hoặc số để kiểm tra các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau. Cuối loạt bài, chúng tôi sẽ xây dựng một bộ bo mạch chủ cho những thẻ này, điều này sẽ cho phép chúng tôi so sánh hiệu suất và độ chính xác không chỉ của các loại cảm biến khác nhau mà còn của các cách thực hiện khác nhau cho những cảm biến này.

Trong loạt bài này, chúng tôi sẽ xem xét một loạt các cảm biến nhiệt độ. Chúng tôi sẽ nói về ưu và nhược điểm cũng như các cấu trúc phổ biến cho việc triển khai chúng. Loạt bài sẽ bao gồm:

• Cảm biến nhiệt độ có hệ số nhiệt độ âm (NTC) thermistors
• Cảm biến nhiệt độ có hệ số nhiệt độ dương (PTC) thermistors
• Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ tương tự
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ số
• Thermocouples

Hôm nay chúng ta sẽ xem xét các mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ analog - chúng ta chỉ sẽ có một cách thực hiện cho mỗi mạch, không giống như trong các bài viết trước. Những mạch tích hợp này đảm nhận toàn bộ công việc tuyến tính hóa và khuếch đại mà chúng ta đã phải tự xử lý khi sử dụng một phần tử cảm biến nhiệt độ có trở kháng. Các cảm biến này có thể bên trong có một loạt các cấu trúc và loại cảm biến khác nhau, nhưng cách thực hiện bên trong của chúng không quan trọng đối với chúng ta. Tất cả chúng đều cung cấp một đầu ra tương đối tuyến tính phù hợp cho việc sử dụng trực tiếp với bộ chuyển đổi analog sang số (ADC) hoặc mạch analog của vi điều khiển.

Với một số lượng nhỏ các thành phần hỗ trợ cần thiết, độ chính xác cao và điện áp đầu ra thuận tiện, bạn có thể nghĩ rằng sử dụng một IC cảm biến analog sẽ đắt đỏ hơn nhiều so với việc tự thực hiện bằng cách sử dụng một trong những phần tử cảm biến rời rạc mà chúng ta đã xem xét. Nói chung, điều ngược lại là đúng. Bạn có thể thêm một IC cảm biến nhiệt độ analog vào mạch của mình với chi phí thấp hơn so với tất cả nhưng những cách thực hiện cơ bản nhất của một cảm biến nhiệt độ dựa trên thành phần rời rạc, và đầu ra sẽ chính xác và tuyến tính hơn nhiều.

Như với tất cả các dự án của tôi, bạn có thể tìm thấy chi tiết của dự án, sơ đồ mạch, và các tệp bảng mạch trên GitHub cùng với các triển khai cảm biến nhiệt độ khác. Dự án được phát hành dưới giấy phép mã nguồn mở MIT, cho phép bạn sử dụng các thiết kế hoặc bất kỳ phần nào của chúng cho mục đích cá nhân hoặc thương mại, tùy bạn muốn.

Phía trên là thiết kế PCB mà bạn sẽ đọc về trong Altium 365 Viewer, một cách miễn phí để kết nối với đồng nghiệp, khách hàng, và bạn bè với khả năng xem thiết kế hoặc tải xuống chỉ với một cú nhấp chuột! Tải lên thiết kế của bạn trong vài giây và có một cách tương tác để xem xét kỹ lưỡng mà không cần phần mềm cồng kềnh hoặc sức mạnh máy tính.

Cảm Biến Nhiệt Độ Analog ICs

Với nhiều lựa chọn triển khai của các loại cảm biến trước đây mà chúng ta đã xem xét trong các bài viết trước, bạn có thể nghĩ rằng việc cảm nhận nhiệt độ là một công việc khá khó khăn khi sử dụng các thành phần bị động. Nếu bạn chỉ muốn một điện áp tuyến tính đơn giản mà có mối quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ, thì bạn có thể sẽ tốt nhất khi xem xét một cảm biến nhiệt độ tương tự. Điện áp tương tự cho phép bạn lấy mẫu nhiệt độ sử dụng chân ADC của vi điều khiển. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng đầu ra để cấp dữ liệu cho các mạch tương tự khác như bộ so sánh để cung cấp kiểm soát nhiệt độ hoặc các tính năng an toàn mà không cần sử dụng vi điều khiển hoặc thiết bị số khác.

Bên trong, các cảm biến này thường hoạt động khá tương tự như các thành phần bị động mà chúng ta đã xem xét trước đây. Tuy nhiên, chúng có bù đắp tích hợp để tuyến tính hóa đầu ra của chúng. Khi đầu ra không hoàn toàn tuyến tính, bảng dữ liệu thường bao gồm một công thức để cho phép chuyển đổi chính xác điện áp thành nhiệt độ mà không cần phải thử nghiệm phòng thí nghiệm cảm biến để xác định các biến số bù đắp. Điều này làm đơn giản hóa quá trình kỹ thuật so với việc xác nhận một mạch được xây dựng sử dụng một yếu tố điện trở và khuếch đại hoạt động hoặc khuếch đại đo lường.

Mặc dù có sự tiện lợi này, cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp analog lại rẻ hơn so với các thành phần bị động mà chúng ta đã xem xét với mức độ chính xác/tính chính xác tương đương, với chi phí của bất kỳ triển khai nào khác ngoài bộ chia điện áp, bạn có thể mua một cảm biến analog. Phạm vi nhiệt độ cảm biến của các IC hạn chế hơn so với RTD, nhưng chúng tương tự như phạm vi được quảng cáo cho một thermistor. Silicon trong các cảm biến và thực tế là chúng thường được hàn vào một bảng mạch hoặc dây sẽ là yếu tố giới hạn cho nhiệt độ tối đa, tuy nhiên mặc dù vậy, phạm vi cảm biến tối thiểu và tối đa thường có thể nằm trong khoảng từ -55°C đến 150°C. Phạm vi nhiệt độ này nên đủ cho đại đa số các dự án cần cảm nhận điều kiện môi trường tại một địa điểm nơi các thiết bị điện tử khác đang hoạt động.

Đối với dự án này, chúng ta sẽ xem xét ba cảm biến khác nhau có nhiều nhiệt độ hoạt động và độ chính xác cùng với phạm vi điện áp đầu vào rộng.

Những thiết bị này được chọn để minh họa một phạm vi rộng lớn về giá cả và điểm hiệu suất. Trong bài viết cuối cùng của loạt bài này, chúng tôi sẽ đưa chúng vượt qua giới hạn nhiệt độ hoạt động để xem chúng phản ứng như thế nào trên toàn bộ phạm vi cảm biến và hơn thế nữa.

Triển khai Cảm biến Tương tự: Texas Instruments LMT87DCKT

LMT87 từ Texas Instruments là cảm biến nhiệt độ CMOS nhỏ gọn kích thước SC-70. Trong số tất cả các cảm biến analog mà chúng tôi đang xem xét cho dự án này, LMT87 có độ chính xác tiêu biểu cao nhất là 0.4%. Tuy nhiên, ngay cả độ chính xác trong trường hợp xấu nhất là +/- 2.7°C cũng vẫn tốt hơn các cảm biến khác. Mặc dù dòng điện không tải của nó cũng thấp hơn so với các cảm biến khác, ít nhất là khi sử dụng nguồn cung 2.7 V, nó còn có thời gian khởi động chỉ 0.7 mili giây. Điều này làm cho nó càng hiệu quả về mặt năng lượng nếu bạn kích hoạt nguồn cho nó ngay trước khi thực hiện đo nhiệt độ, điều này làm cho nó trở thành cảm biến lý tưởng cho ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp/hạn chế về năng lượng. Với mức tiêu thụ năng lượng rất thấp của thiết bị, nó có thể được cấp nguồn trực tiếp từ vi điều khiển hoặc thiết bị logic khác mà không cần lo lắng về việc vượt quá các giới hạn tối đa cho chân IO. Đối với các ứng dụng điện áp thấp hơn, có thêm lựa chọn trong dòng thiết bị LMT8x hỗ trợ hoạt động với nguồn cung điện áp thấp đến 1.5 V, tuy nhiên, với mức tăng giảm đi kèm với phạm vi điện áp cung cấp giảm.

Đáng chú ý là LMT87 cũng có sẵn trong phiên bản đủ điều kiện cho ô tô, có thể hữu ích cho một số người dùng.

Để triển khai cảm biến này, tôi đang thêm một tụ điện giảm nhiễu và một tụ điện đầu ra. Bảng dữ liệu chỉ ra rằng không yêu cầu phải có chúng; tuy nhiên, chúng tôi muốn cho phép cảm biến này có cơ hội tốt nhất để thể hiện trong quá trình thử nghiệm của chúng tôi. Tụ điện đầu ra không hoàn toàn cần thiết, nhưng nó cho phép một SAR đến ADC rút các dòng điện đột ngột khi nó lấy mẫu. Nó làm điều này mà không ảnh hưởng tiêu cực đến kết quả đọc nếu như cảm biến nhiệt độ không thể cung cấp dòng điện tức thời cần thiết để giữ điện áp đầu ra ở vị trí nó cần phải có cho việc đọc nhiệt độ. Cả hai loại tụ điện đều đã được sử dụng cho các dự án khác trong loạt này, vì vậy chúng sẽ không làm tăng đáng kể tổng chi phí hoặc số lượng linh kiện cần phải đặt hàng.

Bảng dữ liệu đã cung cấp một bố cục đề xuất cho biến thể gắn bề mặt của linh kiện mà chúng tôi đang sử dụng; tuy nhiên, tôi đã lệch khỏi nó một chút. Nơi mà bảng dữ liệu đề xuất kết nối với mặt đất và mặt phẳng nguồn, tôi lại kết nối với các đường dẫn thay vì. Tôi không thực sự muốn thêm một lớp đổ mặt đất ở lớp dưới cùng, vì nó có thể ảnh hưởng đến kết quả của các bài kiểm tra/so sánh nhiệt độ mà chúng tôi sẽ thực hiện sau này trong loạt bài. Bằng cách có một lớp đổ mặt đất, với khối lượng nhiệt/dẫn nhiệt của nó, hiện diện dưới cảm biến LMT87 nhưng không dưới bất kỳ các yếu tố cảm biến nào khác mà chúng tôi đang sử dụng, nó có thể ảnh hưởng đến kết quả. Do đó, nó sẽ không chính xác thể hiện hiệu suất của cảm biến.

Trong góc nhìn 3D, bạn có thể thấy rằng tôi đã đặt cảm biến ở cùng một vị trí như các thiết kế khác mà chúng tôi đã làm việc trước đây trong loạt bài này. Tôi đã đặt tụ bù nguồn điện ngay cạnh IC. Tuy nhiên, tôi đã đặt tụ bù cho đầu ra tương tự ngay cạnh bộ kết nối, nơi nó có thể phát huy tác dụng tốt nhất.

Hình dạng bảng mạch và các kết nối đều được cung cấp bởi mẫu dự án/bảng mạch mà chúng tôi đã tạo trong phần đầu tiên của loạt bài này, Dự án Cảm biến Nhiệt độ: Giới thiệu.

Triển khai Cảm biến Tương tự: Texas Instruments LM62

Chip cảm biến Texas Instruments LM62 đã xuất hiện từ cuối những năm 90 và cho đến nay vẫn còn liên quan. Mặc dù độ chính xác và phạm vi cảm biến của nó không tốt bằng các cảm biến khác, nhưng nó vẫn là một cảm biến thực tế cao cho nhiều ứng dụng. LMT87 mà chúng ta đã xem xét ở trên có độ chính xác cao hơn, tiêu thụ dòng điện thấp hơn và hiện đại hơn nhiều so với LM62, đồng thời cũng có giá thấp hơn - vậy tại sao lại bao gồm LM62 trong danh sách này? Tôi nghĩ rằng sẽ thú vị khi bao gồm một linh kiện vẫn tương đối phổ biến nhưng lại có nhược điểm là hiệu ứng tự nhiệt đáng kể và phạm vi cảm biến nhiệt độ hạn chế trong bài tập này.

LM62 vẫn có một số ưu điểm, chẳng hạn như độ lợi cảm biến lớn hơn ở mức 15.6 mV/°C và phạm vi điện áp hoạt động mở rộng lên đến 10 V. Hơn nữa, với phạm vi nhiệt độ hạn chế, điện áp đầu ra tại nhiệt độ cảm biến tối đa 90°C là 1.884 V. Điều này cho phép áp dụng thêm độ lợi sử dụng bộ khuếch đại hoạt động hoặc bộ khuếch đại đo lường. Điều này cung cấp một độ lợi cao hơn trên toàn bộ phạm vi cảm biến nếu bạn sử dụng vi điều khiển 3.3 V hoặc một phạm vi cảm biến đầy đủ nằm trong khả năng của một thiết bị logic điện áp thấp.

LM62 cũng có độ tuyến tính xuất sắc trong phạm vi nhiệt độ cảm biến của nó, với độ lệch tối đa chỉ là 0,8°C.

Giống như LMT87, LM62 có khả năng được cấp nguồn từ chân IO của bất kỳ vi điều khiển hoặc thiết bị logic nào; mặc dù mức tiêu thụ dòng điện của nó cao hơn đáng kể, nhưng vẫn chỉ là một phần nhỏ của công suất mà một chân vi điều khiển có thể cung cấp.

Như đã nói về LMT87 ở trên, tôi đang triển khai các tụ điện tùy chọn cho LM62. LM62 không cần một tụ điện lọc được lắp đặt trên đầu vào hoặc đầu ra; tuy nhiên, bảng dữ liệu có đề xuất một bộ lọc để sử dụng trong môi trường ồn ào. Các bảng đánh giá mà chúng tôi xây dựng thực sự sẽ không được đặt trong một môi trường ồn ào về điện từ. Tuy nhiên, thời gian phản hồi của LM62 chậm hơn đáng kể so với hằng số thời gian của bộ lọc RC tại đầu ra, được hình thành bởi tụ điện 1 uF. Kết quả là, phản ứng tổng thể của LM62 sẽ không bị ảnh hưởng đáng kể.

Tôi đã đề cập ngay từ đầu bài viết này rằng bạn có thể thích sử dụng cảm biến analog hơn là cảm biến số vì nó có thể thuận tiện hơn khi tích hợp vào mạch điều khiển analog. Khi chúng ta đang nói về các lựa chọn triển khai và khuyến nghị trong bảng dữ liệu - bảng dữ liệu của LM62 có một ví dụ hay về bộ điều chỉnh nhiệt độ, có thể có nhiều ứng dụng trong mạch điều khiển, thậm chí chỉ để bật quạt hoặc máy sưởi mà không cần sự can thiệp của vi điều khiển.

Bảng mạch được bố trí rất giống với LM87, với tụ bù nguồn điện cạnh IC cảm biến, và điện áp đầu ra của cảm biến được bù gần các kết nối xếp chồng.

Triển khai Cảm Biến Analog: Maxim Integrated MAX6605MXK

MAX6605 của Maxim Integrated là một cảm biến nhiệt độ hiện đại khác trong gói SC70 nhỏ giống như LMT87. Ở 25°C, MAX6605 có sai số nhiệt độ là +/- 0.75°C. Tuy nhiên, trong toàn bộ phạm vi của nó, sai số này tăng lên tối đa là +/- 5.8°C, có thể không nghe có vẻ tuyệt vời, mặc dù đây là cho phạm vi cảm biến từ -55°C đến 125°C. Trong phạm vi từ 0°C đến 70°C, nơi mà hầu hết các thiết bị gia dụng thường hoạt động, sai số nhiệt độ của nó là +/- 3.0°C.

Khi điều khiển một ADC thông thường, cảm biến nhiệt độ sẽ tiêu thụ khoảng 10 uA dòng điện, điều này liên quan đến sự tăng nhiệt độ của chip so với môi trường xung quanh chỉ 0,0162°C, tốt hơn nhiều so với LM62 mà chúng ta đã xem xét ở trên. Mức tiêu thụ điện năng thấp này cũng làm cho MAX6605 có khả năng được cấp điện trực tiếp bởi một chân của vi điều khiển hoặc thiết bị logic khác, điều này có thể tạo điều kiện cho việc tự động bật và tắt để tối ưu hóa việc tiêu thụ điện năng.

Đọc bảng dữ liệu, tôi thấy thú vị khi nói rằng có 572 transistor trong thiết bị. Texas Instruments không cung cấp mức độ thông tin này trong bảng dữ liệu cảm biến nhiệt độ của họ. Tuy nhiên, điều này cho thấy có nhiều hoạt động hơn diễn ra bên trong một cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp so với các mạch mà chúng ta đã xem xét trước đây với một phần tử điện trở và một khuếch đại hoạt động. Để so sánh, khuếch đại hoạt động LM741 chỉ chứa 20 transistor. Điều này cho thấy, mặc dù cảm biến nhiệt độ có vẻ khá đơn giản, chúng thực sự là những thiết bị khá phức tạp.

MAX6605 khuyến nghị sử dụng tụ điện giảm nhiễu đầu vào 0,1 uF, trong khi các cảm biến khác mà chúng ta đã xem xét đều có thể hoạt động một cách thỏa đáng mà không cần tụ điện đầu vào.

Vì không có gợi ý nào trong bảng dữ liệu về việc thêm tụ điện đầu ra, nên tôi sẽ không thêm tụ điện cho MAX6605.

Mạch in (PCB) cho MAX6605 khá đơn giản và dễ hiểu, chỉ cần thêm tụ bù và IC cảm biến.

Kết luận

IC cảm biến nhiệt độ tương tự là cách dễ dàng để thêm một cảm biến tương đối chính xác vào bảng mạch của bạn, cho dù bạn đang muốn cảm nhận nhiệt độ môi trường xung quanh hay nhiệt độ của một linh kiện cụ thể hoặc khu vực nào đó trên bảng mạch của bạn. Với nhiều lựa chọn không yêu cầu bất kỳ mạch ngoại vi nào, chúng cung cấp một giải pháp vừa gọn nhẹ vừa hiệu quả về chi phí.

Trong bài viết này, chúng ta chỉ xem xét ba cảm biến trong số hàng trăm thiết bị thường được các nhà cung cấp lớn tồn kho. Bạn nên xem các cảm biến nhiệt độ tương tự có sẵn trên Octopart để biết về phạm vi các khả năng được cung cấp. Có một lựa chọn phù hợp với mọi ngân sách và ứng dụng bạn có thể nghĩ đến, cho dù bạn muốn một đầu ra điện áp tương tự như chúng tôi đã xem xét ở đây, hay một nguồn dòng điện thay đổi theo nhiệt độ.

Trong suy nghĩ của tôi, với sự đa dạng của các giao diện truyền thông có sẵn trên các vi điều khiển hiện đại và các thiết bị logic khác, cảm biến nhiệt độ analog thường chỉ hữu ích khi sử dụng cùng với các mạch analog khác, hoặc nếu ngân sách là mối quan tâm hàng đầu. Cảm biến nhiệt độ analog hoàn hảo cho việc tạo ra các bộ điều chỉnh nhiệt độ để kích hoạt quạt khi một bảng mạch quá nóng, hoặc để bật máy sưởi khi một bảng mạch quá lạnh. Xây dựng chức năng này với mạch điện thay vì firmware có thể giảm thời gian phát triển cho các tùy chọn không cấu hình được, tiết kiệm chu kỳ đồng hồ, và cũng tăng cường độ tin cậy. Bằng cách không phải dựa vào mã để làm những gì cần được làm khi cần phải làm, chúng ta có thể đảm bảo rằng quản lý nhiệt độ của bảng mạch sẽ tiếp tục hoạt động mượt mà bất kể thiết bị logic đang làm gì. Chúng ta không phải lo lắng nếu, ví dụ, mã bị treo hoặc quá bận rộn để xử lý một ngắt do vấn đề nhiệt độ một cách kịp thời.

Trong bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét về cảm biến nhiệt độ số. Chúng rất phù hợp để tích hợp đọc nhiệt độ chính xác cao vào quá trình xử lý của vi điều khiển. Cho dù bạn cần báo cáo/ghi lại nhiệt độ, hiển thị nó cho người dùng, hoặc thực hiện một số hành động khác dựa trên nhiệt độ tuyệt đối hoặc thay đổi nhiệt độ. Có một cảm biến nhiệt độ số có thể cho phép bạn bỏ qua việc hiệu chỉnh ADC và nhận nhiệt độ cảm nhận chính xác được chuyển trực tiếp vào bộ nhớ.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.