Полупроводниковый датчик температуры. Полупроводниковые датчики температуры: принцип работы, виды и применение

Как устроены полупроводниковые датчики температуры. Какие бывают виды полупроводниковых термометров. Где применяются датчики температуры на основе полупроводников. Каковы преимущества и недостатки полупроводниковых датчиков температуры.

Принцип работы полупроводниковых датчиков температуры

Полупроводниковые датчики температуры основаны на зависимости электрических свойств полупроводниковых материалов от температуры. Наиболее распространенный принцип работы таких датчиков заключается в использовании температурной зависимости напряжения на p-n переходе при протекании через него постоянного тока.

При нагревании p-n перехода происходит увеличение концентрации носителей заряда, что приводит к уменьшению падения напряжения на переходе. Эта зависимость близка к линейной, что позволяет создавать простые и точные датчики температуры.

Основные элементы полупроводникового датчика температуры

• Полупроводниковый чувствительный элемент (диод или транзистор)
• Источник постоянного тока
• Измерительная схема
• Корпус для защиты от внешних воздействий

Виды полупроводниковых датчиков температуры

Существует несколько основных видов полупроводниковых датчиков температуры:

1. Аналоговые датчики

Выдают аналоговый сигнал, пропорциональный измеряемой температуре. Наиболее простые и дешевые в производстве.

2. Цифровые датчики

Содержат встроенный АЦП и выдают цифровой код, соответствующий температуре. Удобны для подключения к микроконтроллерам.

3. Интегральные датчики

Объединяют в одном корпусе чувствительный элемент, схему обработки сигнала и цифровой интерфейс. Обеспечивают высокую точность измерений.

Характеристики полупроводниковых датчиков температуры

Основные характеристики, определяющие качество полупроводниковых датчиков температуры:

• Диапазон измеряемых температур
• Точность измерений
• Чувствительность
• Время отклика
• Линейность характеристики
• Стабильность показаний

Типичный диапазон измерений составляет от -55°C до +150°C. Точность измерений варьируется от ±0.5°C до ±3°C в зависимости от модели датчика.

Применение полупроводниковых датчиков температуры

Полупроводниковые датчики температуры нашли широкое применение в различных областях техники и промышленности:

• Бытовая электроника (термометры, кондиционеры, холодильники)
• Автомобильная электроника (контроль температуры двигателя и салона)
• Промышленная автоматика (контроль технологических процессов)
• Медицинское оборудование (электронные термометры)
• Системы климат-контроля в зданиях
• Измерительная техника

Преимущества полупроводниковых датчиков температуры

Полупроводниковые датчики температуры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами термометров:

• Высокая точность измерений
• Широкий диапазон измеряемых температур
• Малые размеры и вес
• Низкая стоимость при массовом производстве
• Возможность интеграции в микросхемы
• Хорошая линейность характеристики
• Высокая чувствительность

Недостатки полупроводниковых датчиков температуры

Несмотря на многочисленные достоинства, полупроводниковые датчики температуры имеют и некоторые недостатки:

• Ограниченный верхний предел измеряемых температур (около 150-200°C)
• Чувствительность к электромагнитным помехам
• Необходимость калибровки для достижения высокой точности
• Зависимость характеристик от технологии изготовления

Схемы включения полупроводниковых датчиков температуры

Существует несколько основных схем включения полупроводниковых датчиков температуры:

1. Схема с одиночным p-n переходом

Простейшая схема, использующая диод или транзистор, включенный по схеме диода. Обеспечивает низкую точность из-за разброса параметров полупроводниковых приборов.

2. Дифференциальная схема

Использует два идентичных p-n перехода, работающих при разных токах. Позволяет компенсировать влияние технологического разброса параметров и повысить точность измерений.

3. Схема с токовым зеркалом

Обеспечивает высокую линейность характеристики и стабильность измерений. Часто используется в интегральных датчиках температуры.

Калибровка полупроводниковых датчиков температуры

Для достижения высокой точности измерений полупроводниковые датчики температуры нуждаются в калибровке. Процесс калибровки включает следующие этапы:

1. Измерение характеристики датчика в нескольких точках диапазона температур
2. Определение коэффициентов передаточной функции датчика
3. Запись калибровочных коэффициентов в память датчика или измерительной системы
4. Проверка точности измерений после калибровки

Современные интегральные датчики температуры часто имеют встроенную схему калибровки, что упрощает их применение.

Интерфейсы полупроводниковых датчиков температуры

Полупроводниковые датчики температуры могут иметь различные интерфейсы для подключения к измерительным системам:

• Аналоговый выход (напряжение или ток)
• Цифровой выход (I2C, SPI, 1-Wire)
• ШИМ-выход
• Частотный выход

Выбор интерфейса зависит от конкретного применения и требований к системе измерения температуры.

Перспективы развития полупроводниковых датчиков температуры

Основные направления развития полупроводниковых датчиков температуры включают:

• Повышение точности измерений
• Расширение диапазона измеряемых температур
• Уменьшение энергопотребления
• Интеграция дополнительных функций (измерение влажности, давления)
• Развитие беспроводных интерфейсов
• Применение новых полупроводниковых материалов

Эти усовершенствования позволят расширить область применения полупроводниковых датчиков температуры и повысить их эффективность в различных системах.

Полупроводниковые датчики температуры

Полупроводниковые датчики температуры

Полупроводниковые датчики температуры предназначены для измерения температуры от -55° до 150°С. В этот диапазон попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Благодаря высоким характеристикам, простоте применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.

Принцип работы

Полупроводниковые датчики температуры

Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода.

Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике.

Схемы, использующие одиночный p-n переход, отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров, связанных с особенностями изготовления и работы полупроводниковых приборов. Поэтому промышленность выпускает множество типов специализированных датчиков, имеющих в своей основе вышеописанный принцип, но дополнительно оснащенных цепями, устраняющими негативные особенности и значительно расширяющими функционал приборов.

Аналоговые полупроводниковые датчики

Типовая схема включения полупроводникового термометра с коррекцией

Простые аналоговые полупроводниковые датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе.

Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе. При вычитании значительно сокращаются негативные моменты. Дальнейшее повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с помощью внешних цепей.

 Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в суженном диапазоне от  -25° до 100°С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода.

Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре. Величина изменения напряжения различна и, например, составляет 10мВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется значение начала диапазона измерений либо 0°С.

Примеры аналоговых датчиков температуры

Модель	Диапазон измерений	Точность	Температурный коэффициент	Производитель
LM35	от -55°С до +150°С	±2°С	10 мВ/°С	National Semiconductor
LM135	от -50°С до +150°С	±1. 5°С	10 мВ/°С	National Semiconductor
LM335	от -40°С до +100°С	±2°С	10 мВ/°С	National Semiconductor
TC1047	от -40°С до +125°С	±2°С	10 мВ/°С	Microchip
TMP37	от -40°С до +125°С	±2°С	20 мВ/°С	Analog Devices

Кроме простых датчиков, производители предлагают также готовые интегральные системы термостатирования. Подобные микросхемы, например LM56 от National Semiconductor, оснащены выходом для управления нагрузкой. Температура срабатывания выхода задается в виде заводской установки, либо с помощью навесных элементов, подключаемых к специальным входам задания. Невысокое качество регулирования, обеспечиваемое данными элементами, компенсируется их простотой использования и сверхнизкой стоимостью готовых систем управления.

Полупроводниковые датчики с цифровым выходом

Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например датчиках влажности. Возможен и противоположный вариант — добавления различных элементов к датчикам. Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов. Также использование стандартных интерфейсов позволяет интегрировать датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину. Программирование протокола обмена с большинством датчиков не представляется сложной задачей, что обусловило огромную популярность применения этих элементов в любительской практике и мелкосерийном производстве.

Примеры датчиков температуры с цифровым выходом 

Модель	Диапазон	Точность	Разрешение	Интерфейс	Производитель
LM75	от -55°С до +125°С	±3°С	9 бит	I2C	National Semiconductor
LM76	от -55°С до +150°С	±1. 5°С	13 бит	I2C	National Semiconductor
DS18B20	от -55°С до +125°С	±2°С	9-12 бит	1-Wire	MAXIM
DS1621	от -55°С до +125°С	±1°С	9 бит	I2C	MAXIM
DS1722	от -55°С до +120°С	±2°С	12 бит	SPI	Dallas Semiconduction
MCP9800	от -55°С до +125°С	±3°С	12 бит	I2C	Microchip
MSP9808	от -40°С до +125°С	±1°С	12 бит	I2C	Microchip
ADT7320	от -40°С до +150°С	±0. 25°С	16 бит	SPI	Analog Devices

Характеристики интегральных датчиков температуры с цифровым выходом в целом соответствуют характеристикам аналоговых вариантов. При этом в виду применения АЦП, добавляется такой параметр, как разрешение выходных данных. Сегодня можно встретить датчики с разрешением от 9 до 16 бит. Часто данный параметр указывается в виде температуры, определяемой младшим разрядом АЦП. Например, для высокоточного датчика LM76, предоставляющего пользователю 13-битные данные, он составляет 0.0625°С. Не следует путать этот параметр с точностью измерений, так как вес младшего разряда АЦП определяет только точность работы аналогово-цифрового преобразователя, без учета характеристики датчика. Для того же LM76, заявленная точность измерений не превышает ±1°С.

Типовая схема использования цифрового датчика температуры

Кроме непосредственного измерения температуры, многие цифровые датчики обладают дополнительными функциональными возможностями. Наибольшее распространение получил дополнительный выход термостатирования, позволяющий использовать микросхемы без внешних устройств управления. Также можно встретить входы подключения дополнительных внешних температурных датчиков и дискретные порты ввода вывода. 

Другие статьи:

Датчики температуры. Общий обзор.

Термометр на микроконтроллере PIC12F629

Терморегулятор на микроконтроллере PIC16F676

You have no rights to post comments

Полупроводниковые датчики температуры на основе р-n перехода — Студопедия

Поделись  

Рис. 16.19.Датчики температуры на основе прямосмещенного р-n перехода: А — диод,

Б — транзистор, включенный по схеме диода

Характеристики полупроводникового р-n перехода в диодах и биполярных транзис­торах довольно сильно зависят от темпера­туры. Если прямосмещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 16.19А), вы­ходное напряжение, снимаемое с него, бу­дет прямо пропорционально изменению его температуры (рис. 16.20). Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калировку только по двум точкам определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью (наклон прямой характеризует чувствительность детектора).

Рис. 16.20. Зависимость на­пряжения от температуры для прямосмещенного по­лупроводникового

перехо­да, снятая в условиях по­стоянного тока

Зависимость тока от напряжения для р-n перехода в диоде можно выразить в следующем виде:

(16.45)

где I₀ — ток насыщения, величина которого сильно зависит от температуры. Мож­но показать, что зависимость напряжения на переходе от температуры имеет сле­дующий вид:

(16.46)

где Е_g— ширина зоны запрещенных энергий для кремния при температуре абсо­лютного нуля (0 К),

q — величина заряда электрона, К— константа, независящая от температуры. Из уравнения (16.46) видно, что при работе р-n перехода в усло­виях постоянного тока, напряжение на нем пропорционально его температуре, а наклон этой зависимости определяется следующим выражением:

(16. 47)

Например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, темпера­турная чувствительность равна —2.3 мВ/°С, а при токе 1 мА, она падает до —2.0 мВ/°С. Любой диод или биполярный транзистор могут быть использованы в ка­честве датчиков температуры. На рис. 16.19Б показана схема детектора темпера­туры на базе транзистора, в которой вместо источника тока используется источ­ник напряжения и резистор R. Ток, протекающий через транзистор, можно найти из выражения:

(16.48)

Рис. 16.21.Зависимость погрешности измерений от температуры, построен­ная для датчика

температуры, реализо­ванного на основе кремниевого транзи­ стора PN100

Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и V≈0.6 В, сопро­тивление

R = (E-V)/I=44 кОм. При увеличении температуры напряжение V падает, что приводит к незначительному увеличению тока I. В соответствии с уравне­нием (16.47) это вызывает некоторое снижение чувствительности, которая выра­жается в появлении нелинейности. Этой нелинейностью в ряде случаев можно пренебречь, однако иногда при обработке сигналов ее приходится учитывать. Бла­годаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные (диодные) датчики тем­пературы получили довольно широкое распространение. На рис. 16.21 показана зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности.

Детекторы температуры на основе диодов часто встраиваются в кремниевую подложку монолитных датчиков для осуществления температурной компенсации. Например, такие детекторы методом диффузии формируются на мембранах крем­ниевых микродатчиков давления для компенсации температурной зависимости пьезорезистивных элементов.

Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной темпера­туре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосред­ственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине которого определять температуру. Такой полупроводни­ковый датчик температуры построен на основе зависимости между напряжением база-эмиттер (V_BE) и коллекторным током биполярного транзистора. На рис. 16.22А показана упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике тран­зисторы Q₃и Q₄ формируют, так называемое, токовое зеркало, вырабатывающее два одинаковых тока I_С1=Iи I_C2=I, которые поступают на транзисторы Q₁и Q_2. Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор Q₂, как правило, состоит из нескольких идентичных транзисто­ров (например, 8), включенных параллельно. Поэтому плотность тока в Q₁, будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав Q₂Раз­ность напряжений база-эмиттер двух транзисторов Q₁ и Q₂равна:

(16. 49)

где г—множитель тока (8 в нашем примере), к — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, Т — температура в Кельвинах. Ток 1_сеоодинаков для обоих транзисто­ров. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение V_T= 179 мкВ/К, величина которого не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, мож­но найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик:

(16.50)

При r=8и R=358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функци­ей:

I_T/T=1мкА/К.

Рис. 16.22.Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (А) и

зависимости тока от напряжения (Б)

Рис. 16.23.Типовая передаточная функция полупроводникового датчика температуры LM35DZ (Напечатано с разрешения National Semiconductors, Inc).

На рис. 16.22Б показаны зависимо­сти тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (16. 50) в данном конкрет­ном случае является постоянной величи­ной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона I_T/T. Ток I_Tлегко преобразуется в напряжение. Например, если последовательно с датчиком вклю­чить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропор-
ционально абсолютной температуре.

Работа упрощенной схемы, показанной на рис. 16.22 , соответствует уравнениям (16.49) и (16.50) только в случае использования идеальных транзис­торов, у которыхПоскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, приме­няемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом прин­ципе. Среди них LM35 (National Semiconductors) — с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) — с токовым выходом.

На рис. 16.23 показана передаточная функция датчика LM35Z, чувствитель­ность которого настроена на уровень 10 мВ/°С. Погрешность нелинейности такого датчика невелика, обычно она не выходит за пределыПередаточную функцию такого датчика можно описать следующим выражением:

(16. 51)

где Т— температура в градусах Цельсия. В идеале V_o равно нулю, однако, на прак­тике его значение колеблется в пределах +10 мВ, что соответствует погрешности ГС. Величина наклона а, как правило, находится в пределах 9.9…10.1 мВ/°С.



Полупроводниковый датчик температуры Tech KTY -25-90°C

В связи с ежедневными изменениями курса валют ЦБ и большой нагрузкой временно принимаем заказы от 30 000 р. У Вас есть перечень необходимых материалов? — присылайте на

почту [email protected] (расчет актуальных цен выполняем бесплатно).

Полупроводниковый датчик температуры Tech KTY

• Описание
• Документация
• Отзывы
• Доставка

Характеристики

Товар	датчик температуры
Страна	Польша
Бренд	tech
Серия	8
Модель	kty
Тип	полупроводниковый
Цвет	Черный
Назначение	для теплого пола
Гарантия	2 года
Доп. функции	измерение температуры котла, бойлера или воздуха; изоляция pvc
Бренд (рус.)	тек
Совместимость	контроллер l-8
Наличие	Есть
Диапазон регулирования температуры, °c	-25-90
Гистерезис, к	1
коэффициент, %/k	0,79
сопротивление при 25°c, kω	2

Каталог продукции 2020

Техническая информация

Сертификат соответствия

+ Добавить комментарий

//»ProductVideo»

Бренд:

тек

Серия:

8

Модель:

kty

Страна:

Польша

Артикул:

KTY

5.

2.6 Полупроводниковые датчики температуры — DSPE

Полупроводниковый (или ИС для интегральной схемы) датчик температуры представляет собой электронное устройство, изготовленное аналогично другим современным электронным полупроводниковым компонентам, таким как микропроцессоры. Обычно сотни или тысячи устройств формируются на тонких кремниевых пластинах. Прежде чем пластина будет размечена и разрезана на отдельные чипы, они обычно обрезаются лазером.

Полупроводниковые датчики температуры поставляются рядом производителей. Не существует общих типов, как в случае с термопарами и термометрами сопротивления, хотя ряд устройств производится более чем одним производителем. AD590 и LM35 традиционно были самыми популярными устройствами, но за последние несколько лет стали доступны лучшие альтернативы.

Эти датчики имеют ряд общих характеристик: линейные выходы, относительно небольшой размер, ограниченный диапазон температур (обычно от -40 до +120°C), низкая стоимость, хорошая точность при калибровке, но плохая взаимозаменяемость. Часто полупроводниковые датчики температуры имеют плохую тепловую конструкцию, а полупроводниковый чип не всегда находится в хорошем тепловом контакте с внешней поверхностью. Некоторые устройства склонны к колебаниям, если не будут приняты меры предосторожности. При условии понимания ограничений полупроводниковых датчиков температуры их можно эффективно использовать во многих приложениях.

Наиболее популярные полупроводниковые датчики температуры основаны на основных температурных и токовых характеристиках транзистора. Если два идентичных транзистора работают при разных, но постоянных плотностях коллекторного тока, то разница в их напряжениях база-эмиттер пропорциональна абсолютной температуре транзисторов. Эта разность напряжений затем преобразуется в несимметричное напряжение или ток. Смещение может быть применено для преобразования сигнала абсолютной температуры в градусы Цельсия или Фаренгейта.

Как правило, полупроводниковый датчик температуры лучше всего подходит для встроенных приложений, то есть для использования внутри оборудования. Это связано с тем, что они, как правило, электрически и механически более чувствительны, чем большинство других типов датчиков температуры. Однако они имеют законное применение во многих областях, поэтому они включены.

Точность полупроводниковых датчиков

Как видно из приведенной выше информации, точность «из коробки» или взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры не особенно высока. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный для электронных устройств корпус, что далеко не идеально для точного измерения температуры. Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.
При калибровке отдельных датчиков возможна значительно более высокая точность измерений. Как правило, калибровка по двум точкам обеспечивает пятикратное повышение точности, а калибровка по трем точкам дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна еще более высокая точность. Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютного измерения).

Диодные датчики температуры

В качестве датчика температуры можно использовать обычный полупроводниковый диод. Диод является самым дешевым датчиком температуры и может дать более чем удовлетворительные результаты, если вы готовы выполнить калибровку по двум точкам и обеспечить стабильный ток возбуждения. Подойдет почти любой кремниевый диод. Смещенное в прямом направлении напряжение на диоде имеет температурный коэффициент около 2,3 мВ/°C и достаточно линейно. Схема измерения проста, как показано справа.

Ток смещения должен поддерживаться как можно более постоянным – с использованием источника постоянного тока или резистора от источника стабильного напряжения.

Без калибровки начальная погрешность, вероятно, будет слишком большой – порядка ±30°C – самая большая из всех датчиков температуры контактного типа. Эта начальная ошибка значительно уменьшается, если используются детали сенсорного класса.
Одним из преимуществ диода в качестве датчика температуры является его электрическая надежность — устойчивость к скачкам напряжения, вызванным ударом молнии. Это особенно верно, если используются силовые диоды (например, обычный 1N4004), а второй встречно-параллельный диод используется для ограничения рассеиваемой мощности во время высоких пиковых токов.

Транзисторный датчик используется в диодном режиме путем соединения базы и коллектора вместе. Если этого не сделать, датчик подключается между базой и эмиттером, а ток возбуждения уменьшается примерно в 100 раз. В результате получается очень маломощный, чувствительный и линейный датчик. Простота и производительность датчика недооценены.

Чтобы улучшить работу диода в качестве датчика температуры, два напряжения диода (V1 и V2) могут быть измерены при разных токах (I1 и I2), обычно выбираемых с отношением примерно 1:10. Абсолютную температуру можно рассчитать по уравнению: 9{5} \cdot ln (\frac{ I1}{ I2})}$$

Результат в Кельвинах (К). Этот метод используется большинством датчиков температуры на интегральных схемах и объясняет, почему некоторые из них выдают сигнал, пропорциональный абсолютной температуре.

Точность полупроводниковых датчиков

Точность взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры не особенно высока. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный корпус для электронных устройств, что далеко не идеально для точного измерения температуры (+/- 4 °C для большинства типов). Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.

При калибровке отдельных датчиков возможна значительно более высокая точность измерений. Как правило, калибровка по двум точкам обеспечивает пятикратное повышение точности, а калибровка по трем точкам дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна еще более высокая точность. Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютного измерения).

Проектирование с использованием полупроводниковых датчиков температуры

Автор John R. Gyorki
Редакционный директор

Полупроводниковые датчики температуры просты в использовании, если вы проделаете домашнюю работу по согласованию датчика с приложением.

Датчики температуры предназначены для каждой системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Автомобильные системы полагаются на датчики температуры для управления двигателем. Многие промышленные процессы требуют высокоточных и стабильных измерений температуры. Современные компьютеры и портативные электронные устройства имеют чрезвычайно высокую плотность цепей и не имеют простого способа отвода тепла, что делает обязательным мониторинг температуры.

Все применения датчиков температуры попадают в категорию измерения температуры или управления температурным режимом. Наиболее широко используемыми типами датчиков температуры являются термопары, термометры сопротивления (RTD), термисторы и полупроводниковые датчики температуры.

Термопары известны своим широким диапазоном температур и малым дрейфом. РДТ обладают высочайшей точностью и стабильностью, а также хорошей линейностью. Термисторы работают быстро и имеют высокую чувствительность. Однако все эти датчики требуют небольшого количества интерфейсных схем и сложны в использовании. Относительно новички, полупроводниковые датчики температуры предлагают ряд преимуществ, с которыми не могут сравниться другие датчики.

Хотя их температурный диапазон от -50 ^o C до +150 ^o C довольно ограничен, полупроводниковые датчики температуры обладают несколькими ценными характеристиками, такими как превосходная линейность, высокая чувствительность и чрезвычайно малые размеры. Они недороги; не требуют линеаризации, компенсации холодного спая или преобразования сигнала; часто совмещают несколько функций на одном чипе; и создавать аналоговые, логические или цифровые выходы, которые могут быть связаны непосредственно с аналоговой измерительной схемой, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), микропроцессором или устройством управления вентилятором. Помехоустойчивость измерительной системы выше, чем у других датчиков, поскольку выходной сигнал уже усилен или оцифрован внутри интегральной схемы (ИС).

Ключом к эффективному управлению температурным режимом является знание того, когда включить вентилятор, а когда выдернуть вилку из розетки. Полупроводниковые датчики температуры, некоторые из которых имеют размеры всего 115 на 63 на 40 мил, достаточно умны, чтобы знать, когда это нужно делать.

Благодаря небольшому размеру полупроводниковые датчики могут быть установлены непосредственно на печатных платах, радиаторах, под мощными интегральными схемами и в небольших портативных электронных устройствах. Типичные приложения включают самые быстрорастущие типы потребительских товаров, таких как сотовые телефоны, персональные компьютеры, карманные компьютеры, MP3-плееры и автомобильные системы.

Чувствительный элемент
Полупроводниковый датчик температуры представляет собой ИС, которая сочетает в себе чувствительный к температуре элемент с формированием сигнала, выходом и другими типами схем на одной микросхеме. Он основан на изменении напряжения на p-n переходе, по сути, на кремниевом диоде, в ответ на изменение температуры для определения температуры окружающей среды. Биполярная подложка ИС предназначена для создания транзисторов p-n-p и n-p-n, поэтому на практике чувствительный диод обычно формируется с использованием транзистора с закороченными базой и коллектором. Следующее уравнение показывает влияние температуры на прямое напряжение кремниевого p-n перехода:

V _BE = V _G0 (1-T/T ₀ ) + V _BE0 (T/T ₀ ) + (ηKT/q) ln (T _{0 /T 9007) (KT/q) ln (I C /I C0 )}

Где:
T = температура, ^o K (Кельвины)
T ₀ = эталонная температура, ^o
K = напряжение запрещенной зоны при абсолютном нуле, В
В _BE0 = прямое напряжение при токе I _C0 и температуре T ₀ , В
K = постоянная Больцмана, Дж/ ^o K
q = заряд электрона, Кл
η = постоянная, связанная с конкретным устройством
I _C = прямой ток при температуре T, А
I _C0 = прямой ток при эталонной температуре T ₀ , A

Кремниевый биполярный диод (a. ) является термочувствительным элементом. При смещении постоянным током падение напряжения на нем зависит от температуры. При изготовлении в составе ИС диод создается закорачиванием базы и эмиттера p-n-p-транзистора (б.). Переключение между двумя источниками тока (c.) устраняет влияние тока насыщения, зависящего от процесса, на точность.

Однако определение температуры по этому уравнению не очень практично, так как напряжение зависит не только от температуры, но также от тока и свойств устройства. Чтобы исключить влияние этих переменных, практические схемы переключают диод поочередно на два источника постоянного тока и определяют температуру на основе разницы между двумя прямыми напряжениями или их отношения:

Δ V _BE = (KT/q) ln (Я _С1 /Я _С2 )

Где:

I _C1 = прямой ток от первого источника тока, А
I _C2 = прямой ток от второго источника тока, А . В этом случае тепловой коэффициент чувствительного элемента составляет примерно 200 мкВ/ ^o C.

Типы датчиков
Полупроводниковые датчики температуры бывают трех типов в зависимости от выходного сигнала, который они производят: аналоговые, логические и цифровые. Они также измеряют температуру одним из двух способов: внутренне или удаленно. Когда измерительный диодный транзистор встроен в подложку ИС датчика, датчик измеряет температуру собственного тела. Датчики, не имеющие встроенного измерительного диода, подключаются к удаленно установленному транзистору с измерительным диодом.

Аналоговые датчики напряжения и тока: Самый старый тип полупроводниковых датчиков температуры с аналоговым выходом генерирует выходное напряжение или ток, пропорциональные измеренной температуре. Они объединяют чувствительный диод со схемой смещения и усиления на одном кристалле. Смещение необходимо, поскольку выходной сигнал сенсорного диода пропорционален абсолютной температуре, ^o K. Поскольку шкалы ^o C и ^o F более распространены, чем ^o K сигнал должен быть смещен к новой нулевой точке ^o C или нулю ^o F. Дополнительное смещение необходимо, чтобы можно было измерять отрицательную температуру без использования отрицательного источника питания.

Поскольку напряжение на чувствительном диоде изменяется только на 200 мкВ на ^o C, для усиления выходного сигнала необходим внутренний усилитель, чтобы повысить помехоустойчивость системы. Это делает выходное напряжение совместимым с большинством аналоговых систем измерения и мониторинга температуры. В промышленных приложениях с высоким уровнем электрических помех используются датчики IC с токовым выходом, где выходной ток пропорционален измеренной температуре.

Эти датчики вырабатывают напряжение или ток, прямо пропорциональные температуре, измеряемой транзистором, подключенным к сенсорному диоду. Схема смещения и усиления позволяет измерять положительные и отрицательные температуры по шкале oC или oF.

Датчики с логическим выходом: Многим приложениям для контроля температуры не требуется знать текущую температуру, пока она не достигнет заданного уровня, когда необходимо предпринять какие-либо действия. Датчики с логическим выходом, разработанные для такого типа приложений, работают в наших домах как термостат. Фактически, эти датчики обычно называют датчиками термостата. Они не выводят значение температуры, а вместо этого один или несколько логических выходов меняют свое состояние, когда температура превышает (датчики «горячие») заданное значение или падает ниже (датчики «холодные») его.

Датчик «горячего» логического выхода изменяет состояние выхода, когда температура превышает заданное значение с помощью резистора RS: Резистор RH управляет гистерезисом.

Некоторые устройства имеют программируемую пользователем температуру срабатывания и гистерезис, необходимые для предотвращения дребезга. Программирование обычно выполняется с помощью резисторов. В других устройствах и температура, и гистерезис фиксированы. Логические датчики температуры просты, недороги и чрезвычайно просты в использовании. Типичные приложения включают в себя включение вентиляторов и аварийных сигналов или настройку прерывания, чтобы сигнализировать процессору о превышении предела температуры.

Датчики с цифровым или последовательным выходом: Цифровой датчик температуры на самом деле является аналоговым датчиком, который содержит АЦП и последовательный порт вывода. Варианты выхода датчика включают интерфейс I ² C, SMBus или SPI, который подключается непосредственно к совместимому интерфейсу микропроцессора/микроконтроллера или к выходу с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Кроме того, многие датчики имеют один или несколько компараторов, которые управляют логическими выходами, выходами с открытым коллектором или открытым стоком. Эти выходы обычно подключаются как 9Прерывание 0015 для микроконтроллера, линия включения/выключения вентилятора или аварийного сигнала или сигнал управления аппаратным отключением питания.

Цифровые датчики, использующие формат однопроводной ШИМ, изменяют отношение времени высокого и низкого времени (рабочий цикл) прямоугольной волны для представления значения температуры. Процессор подсчитывает продолжительность периодов высокого и низкого уровня и вычисляет температуру на основе соотношения. Точность тактовой частоты не критична, поскольку ШИМ зависит от отношения времени, а не от абсолютной длительности.

Интерфейсы I ² C, SMBus и SPI обеспечивают двунаправленную связь между датчиком и микропроцессором или микроконтроллером. Датчик отправляет значение температуры в процессор, и процессор использует тот же интерфейс для программирования регистров датчика, которые контролируют пределы температуры и другие функции.

Для портов I ² C и SMBus требуется два провода, и они часто используются в компьютерных приложениях. Интерфейс SPI может быть сконфигурирован как трехпроводной или четырехпроводной порт, наиболее часто используемый в микроконтроллерах и автомобильных системах.

Измерение температуры может производиться локально или дистанционно. Большинство полупроводниковых датчиков температуры имеют на борту транзистор с диодным включением и, таким образом, измеряют температуру собственного тела. Датчики дистанционного зондирования не имеют чувствительного элемента на борту и вместо этого подключаются к удаленно установленному диодному транзистору p-n-p или n-p-n. Транзистор, чувствительный к температуре, может быть расположен в десятках футов от интегральной схемы удаленного датчика. Однако провода, ведущие к удаленно установленному сенсорному транзистору, требуют хорошего экранирования из-за очень низкого уровня сигнала, восприимчивого к шуму.

Пример тепловой защиты ПК
Поскольку компьютеры (особенно ноутбуки и блокноты) обладают большей вычислительной мощностью, управление температурным режимом становится одной из наиболее важных проблем проектирования. ЦП, графические процессоры и другие микросхемы с высокой степенью интеграции содержат тысячи транзисторов, а их высокая тактовая частота увеличивает рассеиваемое тепло из-за коммутационных потерь. Простая работа вентилятора не является хорошим вариантом, поскольку вентиляторы издают слышимый шум, а их срок службы сокращается при непрерывной работе.

Типичный цифровой датчик температуры сочетает в себе аналоговый датчик с АЦП и интерфейсом последовательной шины. Микроконтроллер может запрограммировать дополнительные логические выходы.

Современные вычислительные и портативные электронные устройства с высокой плотностью требуют сложного управления температурным режимом, и полупроводниковые датчики температуры обеспечивают этот уровень сложности. Эти ИС сочетают в себе датчик температуры с дополнительной функциональной схемой и часто устанавливаются на радиаторе непосредственно под микропроцессором или графическим чипом. Некоторые интегральные схемы ЦП имеют транзистор, чувствительный к температуре, выполненный на собственном кристалле, который можно подключить к внешнему датчику температуры с удаленным диодом для мониторинга.

Эффективная система управления температурным режимом компьютера может быть построена на основе датчика температуры с логическим выходом и выходами «Низкий», «Высокий» и «Управление». Если температура ЦП достигает первой заданной точки выше нормальной рабочей температуры из-за высокой температуры окружающей среды, воздействия тепла, неисправности компонента или заблокированных вентиляционных отверстий, выход датчика Low меняет состояние и отправляет сигнал ЦП для снижения тактовой частоты. для снижения коммутационных потерь и тепловыделения.

Если температура продолжает расти и пересекает второе заданное значение чуть ниже максимально допустимой температуры процессора, логические выходы датчика High и Control изменяют состояние. Выход Control включает охлаждающий вентилятор, а выход High дает команду ЦП на дальнейшее снижение тактовой частоты. Если по прошествии определенного времени температура останется выше уставки High, компьютер будет отключен, чтобы предотвратить необратимое повреждение. Тем не менее, наиболее надежный режим выключения обходит ЦП, поскольку в этот момент программное обеспечение может работать неправильно. Вместо этого выход датчика подключается непосредственно к входу выключения источника питания.

В альтернативном подходе используется датчик температуры с последовательным выходом, когда ЦП периодически опрашивает датчик и считывает фактическую температуру через последовательный порт. Если температура достигает чрезмерного уровня, процессор попытается уменьшить нагрев. Если температура превысит абсолютный максимальный предел, выход компаратора датчика отключит питание напрямую.

На что обратить внимание
Датчики температуры IC не защищены от самонагрева. Некоторые устройства имеют относительно высокий рабочий ток, что является основной причиной самонагрева, и это может стать проблемой точности, например, при измерении температуры неподвижного воздуха. Теплопередача между пластиковым корпусом датчика и неподвижным воздухом не очень эффективна, поэтому самонагревание может привести к тому, что температура корпуса датчика превысит температуру воздуха. Поскольку этот датчик фактически измеряет температуру собственного тела, показания будут выше и, следовательно, снизится точность.

Тепло, излучаемое или проводимое через печатную плату другими компонентами рядом с датчиком, также может повлиять на точность измерения, поэтому при поиске наилучшего положения датчика необходимо тщательно проверить всю систему.

Дополнительную информацию можно получить по адресу:

Analog Devices, Inc. Технология, Inc.
http://www.microchip.com

National Semiconductor Corp.
http://www.national.com

Texas Instruments, Inc.
http://www.ti.com

Измерение Точное измерение температуры с помощью полупроводниковых датчиков

star_borderПодписаться на статью

joelmunday 17 фев. 2015

0star_border 0вопрос_ответ 0thumb_up

Ваша следующая статья

 

Дэйв из DesignSpark

Как вы относитесь к этой статье? Помогите нам предоставить лучший контент для вас.

Дэйв из DesignSpark

Спасибо! Ваш отзыв получен.

Дэйв из DesignSpark

Не удалось отправить отзыв. Повторите попытку позже.

Дэйв из DesignSpark

Что вы думаете об этой статье?

Введение

Температура является одним из наиболее распространенных показателей окружающей среды, измеряемых в электронных системах, и для удовлетворения потребностей проектировщика доступны различные типы датчиков. Однако особое внимание следует уделить выбору датчика температуры, чтобы убедиться, что общая точность соответствует проектным спецификациям. В этой статье обобщены основные соображения относительно точности полупроводникового датчика температуры.

Типы датчиков температуры

В приложениях, требующих измерения температуры, обычно используется один из следующих типов датчиков: выбор из-за их низкой стоимости и минимальной спецификации материалов (BOM). Однако для приложений на основе MCU, если вход АЦП недоступен, полупроводниковые датчики являются предпочтительным вариантом. Для конструкций, требующих более высокой точности, лучше ±2°C, меньшего энергопотребления и/или измерений с высоким разрешением, полупроводниковые датчики обеспечивают наилучшие характеристики по цене, если диапазон чувствительности находится в пределах от –40 до +125 °C. Датчики температуры сопротивления (RTD) традиционно обеспечивают высочайшую точность до ±0,2 °C, хотя и при высокой стоимости и дополнительных затратах на внешние спецификации, необходимые для поддержания точных аналого-цифровых преобразований. Новые полупроводниковые датчики температуры, такие как Si705x от Silicon Labs, теперь обеспечивают уровни точности, сравнимые с RTD, без необходимости использования внешней спецификации.

Преимущество термобатареи заключается в бесконтактном измерении, поэтому они также могут измерять широкий диапазон температур. В традиционных конструкциях термобатарей используется упаковка из металлической банки TO-5, которая либо требует внешнего усиления, либо содержит встроенную ASIC. Это, в сочетании с необходимостью надлежащей оптико-механической конструкции, требует более высокой стоимости и ограничивает применение термобатарей приложениями, в которых бесконтактное измерение дает значительные преимущества. Примерами этого являются внутриушные термометры и средства управления промышленными процессами при высоких температурах.

Факторы, влияющие на точность полупроводниковых датчиков

Полупроводниковые датчики температуры обычно используют элемент запрещенной зоны, который измеряет изменения прямого напряжения диода для определения температуры. Для достижения приемлемой точности они калибруются в одной температурной точке, обычно 25 °C. Таким образом, наивысшая точность достигается в точке калибровки, а затем точность ухудшается при более высоких или низких температурах. Для более высокой точности в широком диапазоне температур можно использовать дополнительные точки калибровки или передовые методы обработки сигналов.

Производители полупроводниковых датчиков температуры указывают типичную и максимальную точность измерения температуры в определенных температурных диапазонах. В то время как типичные значения могут дать некоторое представление о точности для нескольких устройств в идеальных условиях, клиенты должны полагаться на максимальные значения для истинного указания на точность для нескольких устройств и в различных условиях.

Напряжение питания также может влиять на точность измерения температуры в полупроводниковом датчике. Сенсорные устройства с более низким уровнем внутреннего регулирования напряжения будут демонстрировать большее снижение точности, когда напряжение питания отклоняется от номинального. Большинство производителей включают это в свои технические характеристики с максимальными значениями в диапазоне от ±0,2°C/В до ±0,3°C/В.

В высокоточных устройствах с погрешностью <±0,5°C начинают проявляться вторичные эффекты, которые также могут играть роль в общей точности. Они часто указываются отдельно от общей спецификации точности в спецификациях производителя и поэтому должны быть добавлены. Вот некоторые из них:

• Повторяемость/шум: это ошибка, вносимая аналоговым интерфейсом и АЦП, и может варьироваться от ±0,1°C в продуктах с более низкими характеристиками до ±0,01°C в продуктах с более высокими характеристиками.
• Дрейф/стабильность: со временем появляется дополнительная ошибка по мере старения устройства.

 

Рекомендации по проектированию для обеспечения высокой точности

Правильное размещение датчиков температуры на печатной плате имеет решающее значение для поддержания точности. Для измерения температуры окружающего воздуха датчики следует размещать как можно дальше от других источников тепла. К ним относятся микроконтроллеры, регуляторы напряжения и другие компоненты. Если датчик размещен на той же печатной плате, что и другие компоненты, выделяющие тепло, вырезы в печатной плате могут помочь обеспечить тепловую изоляцию. Также должна быть обеспечена достаточная вентиляция, чтобы датчик мог контактировать с окружающим воздухом.

Если необходимо измерить температуру компонентов печатной платы, датчики температуры следует размещать как можно ближе к критическим компонентам. Плоскости GND и VDD можно использовать для обеспечения пути теплопроводности от компонентов к датчикам.

Время отклика датчика температуры тесно связано с тепловой массой печатной платы и корпуса, в котором он установлен. Например, датчик температуры, прикрепленный к центру большой печатной платы, будет очень медленно реагировать на изменения температуры. температура воздуха. Для более быстрого отклика устанавливайте датчики температуры на небольшие печатные платы или предусмотрите вырезы, чтобы изолировать датчики от остальной тепловой массы системы.

Дополнительные сведения о размещении печатных плат см. в Silicon Labs Application Note AN607.

Si705x от Silicon Labs по сравнению с конкурирующими датчиками температуры

Цифровые датчики температуры Si705x от Silicon Labs сохраняют свою точность во всем диапазоне рабочих напряжений и температур. При рабочем напряжении от 1,9 до 3,6 В устройства Si705x могут быть напрямую подключены к батарее в приложениях дистанционного зондирования. Как видно на графике ниже, устройства Si705x обеспечивают заметное улучшение точности при высоких и низких температурах, минимальную потерю точности от шума и отсутствие чувствительности к напряжению питания.

Для обеспечения максимальной точности такие устройства, как Si7053, также представляют собой приемлемую альтернативу резистивным термометрам без дополнительных затрат и сложности спецификации.

Пример Соображения по точности измерения температуры в реальных приложениях:

• Холодильная цепь Фармацевтическая/пищевая промышленность: Спецификация E06/TR07.1 Всемирной организации здравоохранения требует точности ±0,5°C в пределах от -5°C до +25°C, и ±1°C в пределах от -20°C до -5°C и от +25°C до +55°C.
• HVAC & Refrigeration: Помимо абсолютной точности, для этих приложений важна долговременная стабильность, поскольку ожидается, что эти устройства прослужат много лет. Например, устройство с точностью ±0,05°C/год через 10 лет будет иметь на 0,5°C худшую точность.
• Компенсация холодного спая: Термопары — обычное устройство, используемое для измерения очень широких диапазонов температур. Однако они требуют точного эталонного измерения комнатной температуры, чтобы обеспечить точное измерение температуры.