Несомненно, кремниевые датчики температуры набирают популярность, и этому есть веские причины. Это простые устройства, не требующие глубоких знаний в области теплового проектирования, но при этом обладающие функциями, позволяющими разработчикам гибко добавлять новые возможности в свои продукты. К другим преимуществам относятся относительно низкая цена, компактные размеры в общей системе измерения температуры и потенциал снижения энергопотребления по сравнению с другими технологиями. Кроме того, тот факт, что последнее поколение кремниевых датчиков обеспечивает значительно более высокую точность, чем предыдущие поколения, может склонить чашу весов в пользу использования кремниевых датчиков впервые. Независимо от причин, по которым рассматривается использование кремниевых датчиков температуры, важно понимать три различных типа кремниевых датчиков, их логические, вольтовые или последовательные выходы, а также преимущества каждого из них для конкретного применения.Кремниевые датчики с выходным напряжением
Принцип работы датчика температуры с выходным напряжением аналогичен принципу работы терморезистора, который, вероятно, является наиболее широко используемым устройством для измерения температуры.
Сопротивление терморезистора изменяется в зависимости от температуры. Сопротивление терморезистора с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивается с повышением температуры, тогда как сопротивление терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшается с повышением температуры.
Датчик температуры с выходным напряжением обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное температуре, с типичным температурным коэффициентом 6,25 мВ/°C, 10 мВ/°C или 19,5 мВ/°C.
Преобразователи температуры в напряжение могут определять температуру от -55°C до +150°C с температурным смещением, позволяющим считывать отрицательные значения температуры без необходимости подачи отрицательного напряжения питания. Типичные значения рабочего тока составляют порядка десятков микроампер, что минимизирует самонагрев и увеличивает срок службы батареи.
Использование терморезистора имеет определенные недостатки по сравнению с кремниевым датчиком температуры с выходным напряжением. Энергопотребление решения на основе терморезистора может быть на несколько порядков выше, чем у более совершенных кремниевых датчиков температуры, а терморезисторы обладают нелинейностью, что ограничивает диапазон рабочих температур. В зависимости от диапазона температур применения, решение на основе терморезистора может также потребовать внешней схемы, что может увеличить пространство на плате и общую стоимость.
В отличие от этого, кремниевые решения обладают высокой линейностью в диапазоне температур от -55°C до +150°C и доступны в корпусах SC70. Таким образом, в целом, кремний может предложить более компактное, менее дорогое и менее энергоемкое решение, чем терморезистор.
Кремниевые датчики с логическими выходами:
Датчики температуры с логическим выходом обычно работают как термостат, оповещая систему о достижении максимального или минимального температурного предела. Иногда их называют температурными переключателями, и они могут использоваться для включения вентилятора или сигнальной лампы при обнаружении чрезмерно высоких или низких температур. Поскольку выходной сигнал обычно не фиксирован, переключатель можно выключить, когда температура опускается ниже или поднимается выше заданного значения. Датчики с логическим выходом обычно имеют встроенный гистерезис в несколько градусов Цельсия для предотвращения дребезга сигнала на выходе.
В случае с терморезистором один из способов его реализации — использование компараторной схемы. Однако это приведет к появлению ошибок в системе, таких как смещение и дрейф смещения компаратора, которые необходимо будет устранять путем регулировки значений резисторов, используемых в схеме, и с помощью однократной температурной калибровки схемы.
Решение на основе кремниевых датчиков было бы гораздо проще в реализации, поскольку производитель берет на себя все настройки и калибровку.
Кремниевые датчики с последовательным выходом.
Наиболее распространенным способом получения высокоточных и воспроизводимых измерений температуры является использование термопар или терморезисторов. Однако, как показано на рисунке 1, оба решения могут потребовать разработки больших, дорогостоящих и сложных схем для достижения высокой точности измерения температуры или высокого разрешения измерений.
В кремниевых датчиках температуры датчики с последовательным выходом обеспечивают высочайшую точность, интеграцию и гибкость, сохраняя при этом присущую кремниевым решениям простоту. Датчики с последовательным выходом используют двух- или трехпроводные интерфейсы для подключения к микроконтроллеру и обычно включают аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует аналоговый выход внутреннего чувствительного элемента в цифровой. Примером датчика температуры с последовательным выходом является Microchip MCP9804, показанный на рисунке 2. Этот высокоточный цифровой датчик температуры с высокой степенью интеграции обеспечивает типичную точность измерения температуры 0,25°C и выбираемое пользователем разрешение измерения от 0,5°C до 0,0625°C в миниатюрном корпусе DFN размером 2 мм x 3 мм.
Многие датчики температуры с последовательным выводом также включают в себя программируемые пользователем функции, такие как оповещения о пониженной или повышенной температуре и встроенную EEPROM. Эти функции могут использоваться для упрощения конструкции, повышения гибкости, улучшения точности измерения температуры и снижения общей стоимости системы.
Наиболее распространенным ограничением датчиков температуры с последовательным выводом, по сравнению с терморезисторами и термопарами, является диапазон рабочих температур. Кремниевые датчики температуры обычно рассчитаны на работу в диапазоне от -55°C до +150°C, в то время как терморезисторы и термопары могут обеспечивать точные измерения в диапазоне нескольких сотен или тысяч градусов Цельсия соответственно.
Вывод:
Все технологии измерения температуры имеют свои преимущества и недостатки, и не существует единой технологии, подходящей для всех областей применения.
Для применений, работающих в ограниченном диапазоне температур, терморезисторы могут обеспечить недорогое решение для измерения температуры. Для высокой точности, превышающей несколько сотен градусов Цельсия, подходящим решением могут быть терморезисторы, но они требуют тщательной настройки и калибровки и могут быть дороже, чем решения на основе терморезисторов или кремниевых датчиков. Если необходимо измерять экстремальные температуры, термопары, вероятно, являются наиболее подходящим решением. Однако для подавляющего большинства применений, не требующих измерения очень широкого диапазона температур, кремниевые датчики могут значительно упростить конструкцию, сохранить точность и интегрировать функции, повышающие гибкость и производительность системы.
Ссылки
- Прикладная записка Microchip Technology AN897, «Измерение температуры с помощью терморезисторов MCP6S2X PGA», авторы Кумен Блейк и Стивен Библ.
- Прикладная записка Microchip Technology AN895, «Генерационные схемы для терморезисторных датчиков температуры», авторы Эзана Хайле и Джим Лепковски.
- Прикладная записка Microchip Technology AN1001, «Компенсация точности интегральных терморезисторных датчиков температуры с помощью микроконтроллера PIC®», автор Эзана Хайле.
- Прикладная записка Microchip Technology AN1154, «Прецизионные терморезисторные измерительные приборы для измерения температуры», автор Эзана Хайле.
- Руководство по проектированию датчиков температуры Microchip Technology, DS21895C.
Автор:
Джон Остин, компания Microchip Technology Inc.
