Температурные датчики точность измерения

Интегральные датчики температуры от TI (линейка NSC): измеряем где и как угодно

28 февраля 2012

Спектр приложений и задач, в которых может потребоваться измерение температуры, очень широк. Пожалуй, температуру можно назвать одним из самых часто измеряемых параметров. В некоторых случаях это может быть температура внешней среды, температура охлаждающих сред, в некоторых — самих приборов или их частей. Различаются также абсолютные диапазоны измерений и требования к точности измерений. Некоторое влияние оказывает и способ обработки измеренных данных — локально или удаленно.

Приобретение компании National Semiconductor добавило в спектр продукции Texas Instruments ряд линеек продуктов. В частности, это коснулось и интегральных датчиков температуры.

В линейке датчиков температуры National представлены аналоговые и цифровые изделия, некоторые — с рядом дополнительных функций. Имеются температурные датчики, основанные на различных физических эффектах — резистивные, полупроводниковые, микросхемы для работы с термопарами. Среди аналоговых датчиков присутствуют датчики с выходом по напряжению, токовые датчики, интегральные микросхемы датчиков с программируемым коэффициентом усиления, микросхемы, содержащие схемы сравнения — т.н. термостаты или термосигнализаторы. Целый ряд микросхем предназначен для работы с удаленными датчиками температуры (в основном — с полупроводниковыми диодами). Кроме этого, отдельно стоит выделить интегральные контроллеры аппаратуры, содержащие в себе, помимо температурных датчиков или схем их опроса, схемы управления внешними устройствами, в частности, скоростью вращения вентилятора охлаждения [1].

Аналоговые температурные датчики

Аналоговые полупроводниковые температурные датчики National отличает компактность, простота схем включения, достаточно высокая стабильность передаточной характеристики, широкий диапазон напряжений питания и малый потребляемый ток. Температурный диапазон работы большинства датчиков лежит в пределах -40…125°С, есть датчики, работающие и в более широком диапазоне — от -50 до 150°С. Ряд наиболее популярных серий приведены в таблице 1.

Таблица 1. Пример аналоговых датчиков температуры линейки National

Наименование	Погрешность измерения, °C	Диапазон напряжений питания, В	Рабочий температурный диапазон, °C
LM94023	±1,5	1,5…5,5 @ 5,4 мкА	-50…150
LM94022	±1,5	1,5…5,5 @ 5,4 мкА	-50…150
LM94021	±1,5	1,5…5,5 @ 9 мкА	-50…150
LM20	±1,5	2,4…5,5 @ 4,5 мкА	-55…130
LM35	±0,5	4…30 @ 56 мкА	-55…150

Датчики с выходом напряжения

Датчики с выходом по напряжению можно разделить на три большие группы:

• интегральные датчики с программируемым усилением;
• датчики с фиксированным коэффициентом усиления и выходом напряжения, пропорциональным температуре;
• датчики с выходным напряжением, пропорциональным одной из температурных шкал — по Цельсию/по Кельвину/по Фаренгейту.

Датчики с программируемым коэффициентом усиления представлены серией LM9402x. На текущий момент в нее входит три микросхемы — LM94021, LM94022 и LM94023.

Среди основных возможностей — широкий температурный диапазон измерений — от -50 до 150°С при минимальном напряжении питания всего 1,5 В, токе потребления не более 15 мкА и ошибке измерений не более 2,1°С. Выход защищен от короткого замыкания, его малое выходное сопротивление позволяет ему работать с высокоемкостными входами — до величин порядка 1 нФ (например, УВХ АЦП или фильтр нижних частот). Один, как в случае с LM94023, или два (LM94021, LM94022) управляющих вывода GSx позволяют выбирать один из двух или четырех коэффициентов усиления. Это позволяет достигать оптимальных результатов в зависимости от требований приложения — или расширение измеряемого диапазона температур, или повышение чувствительности — от 5,5 до 13,6 мВ/°С для LM94021, LM94022 (от 5,5 до 8,2 мВ/°С для LM94023).

Датчики выполняются в компактных корпусах типа SC70 и microSMD. Минимальная схема включения не требует наличия внешних дополнительных элементов. Управляющие входы допускают непосредственное подключение, как к общему проводу, так и к питанию без дополнительных подтягивающих резисторов.

Температурные датчики с фиксированной чувствительностью представляют собой достаточно простое решение для многих задач измерения и контроля температуры. Высокая линейность характеристики, надежность, высокая точность и низкое энергопотребление привели к тому, что ряд из них были признаны промышленным стандартом по факту, в частности — популярный датчик LM20.

На текущий момент к таким датчикам можно отнести датчики серий LM19, LM20. Датчики способны работать в диапазоне -50…130°С, что перекрывает многие задачи контроля температуры. Диапазон питающих напряжений от 2,7 до 5,5 В при токе потребления порядка нескольких микроампер позволяет применять датчики в устройствах как со стационарным, так и с батарейным питанием. Чувствительность их составляет 11 мВ/°С.

Весьма интересным подмножеством аналоговых датчиков температуры National можно назвать датчики с выходными уровнями напряжения, пропорциональными одной из температурных шкал — Цельсия, Кельвина или Фаренгейта. Общим их свойством является линейная характеристика с чувствительностью 10 мВ/градус одной из шкал.

Так, серии LM135, LM235 и LM335 являются температурными датчиками с выходным напряжением, пропорциональным шкале Кельвина — номинальное напряжение на выходе при температуре 0°С (273°К) равно 2,73 В, при температуре 100°С — 3,73 В. Температурный коэффициент датчиков — 10 мВ/°К при максимальной ошибке на всей измеряемой шкале ±2,7°С. При помощи внешнего подстроечного резистора можно добиться точности порядка ±1°С. Датчики доступны в пластиковых — TO-92 и SO-8, и металлических — TO-46 корпусах.

Датчики серий LM35, LM45, LM50 имеют выход в шкале Цельсия. Номинальный выход датчиков LM35, LM45 при 25°С — 250 мВ, а при 100°С — 1 В, чувствительность 10 мВ/°С. Более того, подключение резистора к выходу и отрицательному напряжению питания позволяет измерять и отрицательные температуры (ниже 0°С). Точность измерений датчиков в самом плохом варианте укладывается в ±3°С. Стоит отметить, что ряд серий датчиков в данной группе способен обеспечить более высокую точность: так, погрешность LM35 в диапазоне -55 до 150°С составляет всего ±1°С.

Датчик LM50 отличается от LM35/45 тем, что при аналогичной зависимости выходного напряжения от температуры (10 мВ/°С) при 0°С имеет на выходе постоянное смещение в 500 мВ. Т.е., при температуре 0°С — на выходе датчика 500 мВ, 100°С — 1,5 В, и при -40°С — 100 мВ. Функциональным аналогом LM50 для систем с низковольтным питанием (от 2,7 В) является LM60/61/62 — при 0°С его выход равен 424 мВ, 1049 мВ при 100°С и 174 мВ при -40°С, температурная зависимость их положительна и равна 6,25 мВ/°С.

Аналогичная ситуация и с датчиками температуры по шкале Фаренгейта — LM34, способными измерять температуры от -50 до 300°F с погрешностью 2°F при аналогичном температурном коэффициенте 10 мВ/°F.

Токовые датчики

Устройства серий LM134/LM234/LM334 можно применять по-разному. С одной стороны, они могут служить регулируемыми источниками тока (значение выходного тока задается внешним резистором), с другой — их выходной ток зависит от температуры: от 1 до 3 мкА/°С. Путем подбора величины внешнего сопротивления можно регулировать чувствительность датчиков или измерительный диапазон. Конечно, чувствительность в пару микроампер на градус не назовешь высокой, да и датчик на их основе будет требовать последующей калибровки, или использования в схеме прецизионного резистора. Но аргументом в пользу их выбора может стать то, что для их работы достаточно напряжения всего 1,2 В, следовательно, они могут быть востребованы в приложениях с батарейным или аккумуляторным питанием.

«Термоключи»

Одна из частых задач, возникающих в бытовой и промышленной технике — обнаружение перегрева прибора или его узла. В линейке аналоговых датчиков температуры от National есть ряд приборов, сочетающих в себе температурный датчик, формирователь порогового уровня, компаратор и выходные силовые цепи (таблица 2).

Таблица 2. Температурные ключи

Наименование	Метод задания порога, точность, °C	Напряжение питания, В; ток потребления, мкА	Диапазон пороговых уровней температуры, °C
LM26LV	Заводские предустановки, ± 2,2	1,6…5,5; 8	0…150, шаг 1
LM26	Заводские предустановки, ± 3	2,7…5,5; 16	-55…125, шаг 1
LM27	Заводские предустановки, ± 3	2,7…5,5; 15	120…150, шаг 1
LM56	Пользовательский, ± 2	2,7…10; 110	-40…125, внешние резисторы
LM57	Пользовательский, ± 1,5	2,4…5,5; 24	-40…150, внешние резисторы

Примерами таких устройств являются высокоинтегрированные температурные ключи серий LM26 и LM27, выпускаемые в корпусе SOT-23. Обе серии могут эксплуатироваться в весьма жестких температурных условиях. Так серия LM26 работает в диапазоне от -55 до 125°C, а LM27 от -40 до 150°C при порогах срабатывания в диапазоне 120…150°C. Таким образом, они оптимальны для мониторинга перегрева силовых узлов, тем более, что обе имеют вход HYST, позволяющий задать гистерезис. Ширина петли гистерезиса от 2°C (при подключении вывода к общему проводу), до 10°C (при подключении к линии питания). Микросхемы имеют два выходных сигнала — аналоговый выход температурного датчика и выход с открытым стоком. Порог срабатывания задается при производстве.

Дальнейшим развитием является серия LM26LV. LM26LV представляет собой прецизионный низковольтный ключ, срабатывающий при превышении температуры определенного уровня. На выходе датчика формируется напряжение, пропорциональное температуре, и два пороговых сигнала. Аналоговый выход обладает достаточным входным/выходным током для работы на емкостную нагрузку. Один из пороговых сигналов — OVERTEMP — генерирует логический сигнал высокого уровня при превышении заданного порога, параллельно выход с открытым стоком

OVERTEMP становится активным. Входной сигнал TRIPTEST предназначен для внутрисхемного тестирования ключа. Высокий уровень на нем имитирует превышение порога и приводит к срабатыванию ключа. Порог срабатывания, так же, как и для LM26, LM27, задается при производстве и находится в пределах от 0 до 150°С с шагом 1°С. Диапазон напряжений питания от 1,6 до 5,5 В.

В качестве температурного ключа с задаваемым порогом срабатывания может применяться серия LM57, для которой порог задается парой внешних резисторов.

LM56 является интегральной микросхемой-термостатом. Она содержит источник опорного напряжения 1,25 В, два компаратора со встроенным гистерезисом, температурный датчик (аналогичный LM60). Рабочий температурный диапазон LM56 составляет -40…125°С. Суммарная погрешность датчика и компараторов в пределах температур от 25 до 85°С составляет не более 2°С, в полном рабочем диапазоне от -40…125°С — не более 3°С, не считая погрешности внешних резисторов.

Цифровые температурные датчики

Цифровые датчики температуры объединяют в себе чувствительный полупроводниковый элемент, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, содержащий управляющую логику и регистры конфигурации, и интерфейсный блок. Для датчиков Texas Instruments линейки National традиционно используются двухпроводной интерфейс SMBus/I 2 C, или трехпроводной SPI/Microwire. В линейку поставок входят датчики с разрядностью от 8 бит с погрешностью ±4°С до 16-бит с погрешностью при комнатных температурах всего ±0,33°С (таблица 3).

Таблица 3. Цифровые датчики температуры линейки National

Наименование	Точность, °C; разрядность, бит	Напряжение питания, В; ток потребления, мА	Температурный диапазон, °C	Интерфейс
LM73	±2,0; 9	3…5,5; 1	-55…125	2-wire
LM75A	±2,0°; 9	3…5,5В; 1	-55…125	2-wire
LM92	±0,33 & ±0,5; 13	2,7…5,5; 0,625	-55…150	2-wire
LM71	±1,5; 13	2,65…5,5; 0,55	-40…150	3-wire
LM95071	±1,0; 14	2,4…5,5; 0,28	-55…150	3-wire
LM74	±1,25; 13	3…5,5; 0,52	-55…150	3-wire

Датчики локальной температуры

Некоторые из цифровых датчиков имеют дополнительные сигнализирующие пороговые выходы. Но, в отличие от температурных ключей, порог их срабатывания, включая гистерезис, задается пользователем. Примером подобного датчика является прецизионный датчик LM73 (корпус SOT23-6) с двухпроводным интерфейсом, совместимым с шинами SMBus и I 2 C. При полном рабочем диапазоне от -40 до 150°С его погрешность в в пределах от -10 до 80 ±1°С. При помощи всего одной линии выбора адреса датчика на шине возможна установка для него одного из трех адресов в зависимости от состояния адресной линии — не подключена, подключена к общему проводу или подключена к напряжению питания.

Настройки LM73 позволяют оптимизировать его скорость и точность работы — разрешение датчика может варьироваться от 0,25°С/бит до 0,03°С/бит (11…14-битное преобразование). Датчик имеет два режима работы. Это — обычный режим, в котором датчик все время находится в режиме непрерывного преобразования и выдачи данных, и режим низкого потребления, когда запуск преобразования и выдача результата проводятся по запросу внешнего устройства.

Датчик серии LM92 может служить примером цифрового термостата. Он позволяет существенно упростить создание систем контроля температуры. При прекрасных показателях точности порядка 0,5°С, диапазоне питания 2,7…5,5 В и 12-битном АЦП, LM92 имеет два программируемых пороговых выхода INT и T_CRIT_A. Первый из них, INT, становится активным при выходе температуры за установленные пределы. Выход T_CRIT_A срабатывает при превышении температуры заданного порога. Два входа селекции адреса позволяют выбрать один из четырех адресов датчика на последовательной шине I 2 C.

Примерами датчиков, управляемых по шине SPI, могут служить популярные датчики LM70, LM74, LM95071 и ряд других.

14-битный датчик LM95071 обеспечивает точность 2°С на полном рабочем температурном диапазоне и до 1°С в пределах 0…70°С, цифровой шум составляет всего один младший разряд. Для данного датчика также доступен режим непрерывного преобразования и режим низкого энергопотребления. Он выпускается в миниатюрном корпусе SOT-23.

Украшением линейки цифровых датчиков можно считать 24-битную однокристальную систему сбора данных с температурных датчиков — LMP90100. Ключевыми ее свойствами является низкое энергопотребление, 24-битное сигма-дельта АЦП с автоматической калибровкой, управляемый коэффициент усиления, а также малый дрейф параметров в зависимости от времени или температуры. LPM90100 может работать как от внутреннего, так и от внешнего источника синхронизирующих импульсов, имеет несколько конфигурируемых цифровых линий ввода-вывода, SPI-интерфейс управления. Встроенные опорные источники тока и напряжения позволяют напрямую работать с резистивными типами датчиков (мосты, терморезисторы, а также датчики давления и тензодатчики). Гибкий конфигурируемый входной мультиплексор позволяет работать даже с дифференциальными сигналами — например, возможны конфигурация на четыре дифференциальных входа или на семь одиночных, а также различные комбинации.

Датчики температуры удаленного диода

Данный тип датчиков предназначен для мониторинга температуры электронных компонентов, например, центрального процессора, специализированных микросхем типа ASIC или программируемых логических схем FPGA. Как правило, в таких устройствах предусмотрены выходы сенсорного диода (чаще всего сенсорным диодом является p-n-p-транзистор). В случаях критически важных систем, не имеющих подобного чувствительного диода, вместо него применяют транзистор 2N3904. Впервые идея сенсорного температурного диода была воплощена в жизнь рядом производителей полупроводниковой продукции в 90-нм технологическом процессе (таблица 4).

Таблица 4. Датчики температуры удаленных диодов

Наименование	Точность, °C; корпус; число сигнальных линий	Метод измерений	Количество каналов
LM95245	±0,75; MSOP-8; 1	45 нм, TruTherm®	1
LM95235	±0,75; MSOP-8; 1	65 нм, TruTherm	1
LM95241	±1,25; MSOP-8; 1	65 нм, TruTherm	2
LM95234	±0,875; LLP-14; 3	65 нм, TruTherm	0…4
LM95214	±1,1; LLP-14; 3	Тр-р 2N3904	0…4

В технологиях с меньшими размерами (например, 45 нм), выходной сигнал сенсорного диода может существенно отличаться в пределах серии элементов или в зависимости от конкретной реализации технологии производителями. Для решения данной проблемы National предложила уникальную технологию компенсации, называемую TruTherm® (BTJ/Transistor beta-compensation technology). Помимо специализированных датчиков, работу с удаленными диодами поддерживает ряд серий цифровых температурных датчиков и мониторов аппаратуры.

В рамках семейства датчиков температуры удаленного диода присутствуют устройства, работающие с одним, двумя или четырьмя каналами.

Серии LM86, LM89, LM90, и LM99 являются традиционными одноканальными датчиками температуры, управляемыми по шине SMBus. Кроме показаний температуры датчик имеет два сигнализирующих вывода ALERT и T_CRIT_A, генерирующих сигналы при выходе температуры за заданные диапазоны и превышении критического уровня, соответственно.

Одноканальные датчики LM95235 и LM95245 выполнены с применением технологии TruTherm® BTJ/Transistor beta-compensation. LM95235 предназначены для мониторинга температуры процессоров Intel, выполненных по 65 и 90 нм технологии. LM95245 способны работать с сенсорными диодами по 45-, 60- и 90-нм технологии. В качестве дополнительной возможности LM95235 может осуществлять цифровую фильтрацию сигнала.

LM95221 имеет два сигнальных канала с разрешением 0,125°С. Более универсальным вариантом являются датчики LM95231 и LM95241, выполненные с применением технологии TruTherm®.

Мониторы аппаратуры

В отдельный ряд можно вынести серии приборов, способных измерять собственную температуру и температуры удаленных диодов наряду с выполнением действий по управлению внешними устройствами. Общее их название — мониторы аппаратуры (Hardware Monitors). Типовыми задачами для них являются управление системами охлаждения/нагрева приборов или узлов, например, управление скоростью вращения вентилятора охлаждения. Кроме схем измерения температуры, настройки и управления порогами срабатывания, данные серии микросхем имеют схемы ШИМ- или PID-регулирования (таблица 5).

Таблица 5. Контроллеры аппаратуры

Серия	Метод контроля	Ключевые особенности
LMP92001	–	16-каналов, 12-бит АЦП, точность ±0,1% TUE, двенадцать 12-битных ЦАП, внутренний источник опорного напряжения, встроенный температурный датчик, 8-линий ввода-вывода, интерфейс I 2 C.
LM96080	–	10-бит сигма-дельта АЦП. отслеживание 7 напряжений, локальная температура, измерение скорости вращения двух кулеров; интерфейс I 2 C, совместимый с LM80
LM96194	PI & LUT	Монитор рабочей станции, 4 канала работы с удаленными диодами с технологией TruTherm, 4 сенсорных входа, 2 контроля кулера, 8 мониторов напряжения.
LM94	PI & LUT	Монитор сервера, 4 TruTherm канала работы с удаленными диодами, 4 сенсорных тач-входа, 2 контроллера кулеров, 16 линий контроля напряжения, контроллер 4-пинового кулера
LM96000	Linear	Монитор персонального компьютера, два канала измерения температуры удаленных диодов, dual RDTS, контроллер 4-пинового кулера
LM96163	12-point LUT	11-бит удаленный диод с TruTherm, улучшенный аналоговый тракт, цифровая фильтрация сигнала
LM81	–	Монитор напряжения, выход ЦАП, тач-входы

Средства отладки и разработки

Процесс разработки сенсорных решений имеет мощную поддержку в виде он-лайн инструментария WEBENCH, позволяющего помимо ряда других функций производить выбор необходимого типа температурного датчика для требований конкретных приложений. Также он позволяет определиться с типом чувствительного элемента — термопара/резистивный/полупроводниковый датчик и характеристиками последующего аналогового тракта [2-4].

Инструментарий SensorEval предназначен для работы с отладочными платами температурных датчиков и мониторов аппаратуры через USB-интерфейс. Более того — он поддерживает прямой доступ к температурным датчикам, расположенным непосредственно на материнских платах (с поддержкой наборов микросхем Intel) [5].

Для каждого из типов продукции National предлагаются отладочные платы, позволяющие оценить основные возможности датчиков, температурных ключей и мониторов аппаратуры.

Заключение

Как видно из данного далеко не полного обзора продуктов, предназначенных для задач измерения, контроля температуры, их спектр, предоставляемый линейкой National, довольно широк. Он гармонично дополняет собственный ряд температурных датчиков Texas Instruments, легко интегрируется с микроконтроллерами, АЦП и силовой продукцией TI, как в плане точности и надежности, так и в плане энергопотребления.

Источник