Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

Интегральные датчики температуры фирмы National Semiconductor

Штрапенин Геннадий


Интегральные датчики температуры (ИДТ) являются неотъемлемой частью практически любого современного электронного устройства. С одной стороны, это связано с необходимостью обеспечения требуемых характеристик аппаратуры в широком диапазоне температур, а с другой — с проблемой обеспечения оптимального теплового режима элементов и защиты их от перегрева. Отличительной особенностью ИДТ по сравнению с традиционными термодатчиками (термисторами, термопарами и др.) является сравнительная простота их использования — они не требуют линеаризации и компенсации холодного спая, что делает весьма целесообразным их применение во всевозможных термометрах и терморегуляторах. Последнее поколение ИДТ со специализированными цифровыми интерфейсами, так называемые интеллектуальные ИДТ (Smart Temperature Sensor), широко применяются для стабилизации тепловых режимов вычислительных систем, измерительной аппаратуры и в технике радиосвязи. Фирма National Semiconductor (www.national.com) — один из ведущих мировых производителей интегральных датчиков температуры различных типов [1], которые в огромных количествах используются в различных изделиях электронной техники, выпускаемых в разных странах, в том числе и в России.

Физическая основа работы ИДТ заложена в температурной зависимости падения на пряжения на прямо смещенном кремниевом p-n-переходе, которая выражается хорошо извест ной формулой

U = (kT/q)*ln(I/Is),

где U — напряжение на переходе, k — постоянная Больцмана, T— абсолютная температура, q— заряд электрона, I— ток через переход, Is — обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигу рации и температуры перехода. Отметим, однако, что вышеприведенную зависимость непосредствен но использовать для точного измерения температу ры нельзя по двум причинам. Вопервых, существу ет значительный разброс «начального» прямого па дения напряжения на переходе, связанный с технологией его изготовления, а во-вторых, суще ственный вклад в зависимость U(T) вносит темпера турная зависимость Is. В связи с этим для измерения температуры в ИДТ используют разность напряже ний двух p-n-переходов, а точнее, напряжений база эмиттер ΔUBE двух транзисторов VT1 и VT2, которая может быть определена из выражения

ΔUBE = UBE1 – UBE2 = (kT/q)ln(JE1/IE2),

где JE1 и JE2 — плотность тока эмиттеров транзисто ров. Эффекты, связанные с током насыщения и на чальным падением напряжения на p-n-переходах при этом компенсируются, и температурная зависимость становится линейной с высокой точностью. В реаль ных устройствах используют транзисторы с разны ми площадями эмиттерных переходов, что обеспечивает заданное соотношение плотностей тока эмит теров, или набор одинаковых транзисторов, соеди ненных параллельно, — так называемую ячейку Брока (Brokaw Cell) [2]. Практическая схема измере ния температуры с температурным коэффициентом выходного напряжения 10 мВ/°K приведена на рис. 1. Требуемое значение коэффициента достигается оп ределенным соотношением сопротивлений резисто ров 26R и 23R. Резистор 100R, используется для точ ной калибровки датчика. Данная схема применяет ся в популярных микросхемах ИДТ LM135 — LM335 (отечественный аналог К1019ЕМ1), которые будут подробно рассмотрены ниже.

Схема для измерения температуры по разности напряжений эмиттерных переходов транзисторов
Рис. 1. Схема для измерения температуры по разности напряжений эмиттерных переходов транзисторов

Дальнейшее совершенствование интеграль ных датчиков температуры было направлено на повышение линейности и точности измерений. Появились также специализированные микро схемы — контроллеры для работы с удаленны ми термочувствительными элементами (диода ми или транзисторами), которые могут распо лагаться непосредственно в контролируемом устройстве, например микропроцессоре. В этом случае микросхема-контроллер проводит по очередное измерение выходных напряжений сенсора при двух заданных значениях тока, а за тем расчет разности этих напряжений и темпе ратуры согласно приведенным формулам.

Максимальный диапазон температур, пере крываемый интегральными полупроводнико выми датчиками, составляет от –60 до +200 °С, минимальная погрешность измерений зави сит от диапазона измеряемых температур и может составлять менее десятых долей гра дуса. Следует отметить, что точность измере ния температуры зависит от типа корпуса дат чика, его конструктивного выполнения и раз мещения в системе. На результаты измерений влияет также собственное тепловыделение ИДТ, определяемое приложенным к нему на пряжением и потребляемым током.

Перейдем теперь к рассмотрению доступных интегральных термодатчиков National Semiconductor (табл. 1). Выпускаемые в настоящее вре мя приборы можно условно разделить на две группы. Первая их них — датчики с аналоговым выходом, величина напряжения на котором про порциональна измеряемой температуре в гра дусах Кельвина или Цельсия (в последнем слу чае для корректного отсчета отрицательной тем пературы требуется двухполярное питание ИДТ или к выходному напряжению датчика, пропор циональному измеряемой температуре, прибав ляется некоторое постоянное число). Вторая группа — ИДТ с цифровым выходом, в простей шем варианте это может быть выход одно- или двухпорогового компаратора, переключающе гося, когда измеренная величина температуры выходит из области заданных значений. Датчи ки такого типа широко используются в различ ных термостатирующих устройствах. Цифро вой выход большинства современных ИДТ вы полняется в виде последовательного интерфейса, наиболее распространены двухпроводной I2C и трехпроводные SPI и MICROWARE. Соответ ствующее программное обеспечение, необходи мое для работы таких датчиков, имеется на сай те фирмы.

Мы начнем рассмотрение с прецизионных датчиков температуры в градусах Кельвина с аналоговым выходом LM135, LM235 и LM335. Особенность данных приборов — двухпровод ное включение по схеме, аналогичной стабили трону. Типовое решение для использования ИДТ LM135/235/335 приведено на рис. 2а. При величине тока через датчик от 0,4 до 5 мА, задаваемой внешним резистором R1, выход ное напряжение с высокой точностью равно 10°K мВ. При необходимости возможна точ ная калибровка датчика, для этого используют ся третий вывод и внешний подстроечный ре зистор, как показано на рис. 2б. При температу ре 25 °С им выставляется выходное напряжение датчика 2,982 В. ИДТ LM135/235/335 выпускаются с обычной и повышенной точностью (LM135А/235А/335А) в герметичных транзис торных корпусах TO-46 (LM135H/235H/335H и LM135AH/235AH/ 335AH), а LM335 — также в пластмассовом корпусе TO-92 (LM335Z и LM335AZ) и SO-8 для поверхностного монта жа (LM335M).

Типовая схема включения интегральных датчиков температуры в градусах Кельвина
Рис. 2. Типовая схема включения интегральных датчиков температуры в градусах Кельвина LM135/235/335 а) базовая схема; б) схема с калибровкой

Трехвыводные прецизионные интегральные датчики температуры в градусах Цельсия с ана логовым выходом LM35 и LM45 не требуют ка либровки и работают в широком диапазоне пи тающих напряжений. Типовая схема включе ния ИДТ LM35 для измерения положительных температур приведена на рис. 3а, а для всего ди апазона температур — на рис. 3б. Небольшая величина потребляемого тока (реально 60 мкА) уменьшает погрешность измерений из-за са моразогрева датчика. ИДТ LM35 выпускаются в различных модификациях по диапазону тем ператур: от –55 до +150 °C (LM35, LM35A), от –40 до +110 °C (LM35C, LM35CA) и от 0 до +100 °C (LM35D); точности: 1 °C (LM35A и LM35CA), 2 °C (LM35 LM35C, LM35D); и в че тырех типах корпусов: TO-46 (LM35H, LM35AH, LM35CH, LM35CAH и LM35DH), TO-92 (LM35CZ, LM35CAZ и LM35DZ), TO-220 (LM35DT) и SO-8 (LM35DM). Точность датчи ка LM45B составляет 3 °C, а LM45C — 4 °C в ди апазоне температур от –20 до +100 °C. Эти тер модатчики выпускаются в корпусе SOT-23.

Типовая схема включения интегральных датчиков температуры Цельсия
Рис. 3. Типовая схема включения интегральных датчиков температуры Цельсия LM35/45 а) для положительных температур б) для всего диапазона температур

Аналогичные параметры имеет и интеграль ный термодатчик LM50, отличительная особен ность которого— смещение выходного напряжения на +500 мВ, что дает возможность обой тись однополярным питанием во всем диапазо не измеряемых температур. LM50 выпускается в двух модификациях: LM50B — диапазон из меряемых температур от –25 до +100 °C, точ ность измерений 3 °C; и LM50С — от –40 до +125 °C, 4 °C соответственно.

ИДТ LM60 и LM62 работают при напряже нии питания от 2,7 В. Благодаря малому по треблению тока погрешность измерения тем пературы из-за саморазогрева не превышает 0,2 °C в воздухе. LM60 выпускается в корпу сах SOT-23 и TO-92, а LM60 — только SOT-23.

Микромощные миниатюрные термодатчики LM20 изготавливаются по технологии КМОП, и хотя температурная зависимость выходного напряжения для этих приборов имеет неболь шую параболическую составляющую, макси мальная погрешность измерений во всем диа пазоне измеряемых температур от –55 до +130 °C для ИДТ модификации LM20B не превышает ±2,5 °C, а для LM20C — ±5 °C. В отличие от рас смотренных выше датчиков, выполненных по биполярной технологии, у LM20 температур ный коэффициент отрицательный. В диапазо не температур от –40 до +85 ±C выходное напря жение U описывается линейной функцией тем пературы и имеет вид

U = –11,67 мВ/°C*T + 1,8583 В

с погрешностью не более ±0,65 °C. Для расче тов во всем температурном диапазоне для сохранения минимальной погрешности в коэф фициенты следует вносить поправки.

Благодаря сверхмалому потреблению то ка (максимально 10 мкА), LM20 прекрасно подходят для использования в устройствах с батарейным питанием, отметим также, что саморазогрев термодатчика в воздухе не пре вышает 0,02 °C. Выпускаются в корпусах SC-70-5 и micro SMD.

Интегральный датчик температуры LM56 предназначен для использования в термоста тах. Функциональная схема ИДТ LM56 и гра фики, поясняющие особенности его функ ционирования, представлены на рис. 4.

Интегральный датчик температуры — термостат LM56
Рис. 4. Интегральный датчик температуры — термостат LM56
а) функциональная схема
б) зависимость выходных напряжений от температуры

Используя внешние резисторы и внутрен ний источник опорного напряжения 1,250 В, на контактах 3 и 2 задают пороговые напря жения переключения компараторов VT1 и VT2, соответствующие заданным темпера турам Т1 и Т2. В результате на выходе 1 (OUT1 — контакт 7) формируется напряже ние низкого уровня, если температура превы сит значение Т1, и, соответственно, напряже ние высокого уровня, если температура упа дет ниже значения Т1 – Тhyst (Тhyst ≈ 5 °C). Аналогично по отношению к температуре Т2 формируется сигнал на выходе 2 (OUT2 — контакт 8). Напряжение на выходе микросхе мы VTEMP (контакт 5) пропорционально тем пературе в градусах Цельсия с коэффициен том 6,2 мВ/°C и смещено на +395 мВ, погреш ность измерения температуры во всем диапазоне не превышает 3 °C для модифика ции LM56BIM и 4 °C для LM56CIM. Типовая схема включения ИДТLM56 и формулы для расчета сопротивления резисторов R1 — R3, задающих величины пороговых температур, приведены на рис. 5. Отметим, что максималь ный ток коллекторов выходных транзисторов составляет всего 50 мкА, что требует подклю чения к ним достаточно высокоомной нагруз ки. LM56 выпускаются в обычных и миникор пусах SO-8.

Типовая схема включения LM56 в режиме двухпорогового термостата
Рис. 5. Типовая схема включения LM56 в режиме двухпорогового термостата

Перейдем теперь к рассмотрению интеграль ных датчиков температуры с цифровым выхо дом. ИДТ LM70 и LM74 представляют семейст во цифровых термодатчиков с последователь ным интерфейсом, совместимым с протоколами Motorola SPI и National Semiconductor MICROWARE. Функциональная схема LM70 при ведена на рис. 6, LM74 отличается от него 13бит ным АЦП. LM70/74 функционируют как ведо мые устройства, полный цикл приема-передачи данных занимает 32 такта сигнала SC, из кото рых первые 16 отводятся передаче данных на кон троллер, а вторые — приему. Управление рабо той датчика производится путем записи данных в конфигурационный регистр, для идентифика ции ИДТ и считывания результатов измерений служат регистр идентификации и температур ный регистр, работающие в режиме чтения.

Функциональная схема цифрового ИДТ LM70 с последовательным интерфейсом SPI/MICROWARE
Рис. 6. Функциональная схема цифрового ИДТ LM70 с последовательным интерфейсом SPI/MICROWARE

LM70/74 аппаратно совместимы практичес ки с любыми микроконтроллерами, програм мирование которых в этом случае не состав ляет большого труда. Для экономии энергии в интервале между измерениями имеется воз можность перевода ИДТ в режим shutdown с то ком потребления менее 10 мкА, что может быть очень полезно в устройствах с автономным пи танием. Существует два варианта микросхем по напряжению питания: LM70/74-3 — 2,65–3,6 В, LM70/74-5 — 4,5–5,5 В. LM70 выпускаются в корпусах с 8 выводами MSOP и LLP, а LM74— SO-8 и 5-выводном microSMD.

Цифровые ИДТ LM75-LM77 имеют после довательный двухпроводной интерфейс по протоколу Philips I2C, а также дополнитель ные цифровые выходы, изменяющие свое со стояние, когда температура превышает задан ное значение (OverTemper) или выходит из заданных пределов (OverWin). Последние вы полнены с открытым стоком и могут исполь зоваться для построения термостатов, сигна лизаторов превышения температуры, а так же для работы микроконтроллера по прерыванию. Функциональная схема LM76 приведена на рис. 7. ИДТ функционируют как ведомые устройства, имеется развитая систе ма внутренних регистров для установки ре жимов работы и параметров выходных сиг налов. Для облегчения программирования термодатчиков на сайте фирмы свободно предлагается соответствующее программное обеспечение. В интервале между измерения ми имеется возможность перевода ИДТ в ре жим shutdown с током потребления не более 8 мкА. LM75/6/7 выпускаются в 3- и 5-воль товой модификации в корпусах с 8 выводами SO и MSOP.

Схема управления, регистры, интерфейс I2C
Рис. 7. Схема управления, регистры, интерфейс I2C

Последнее поколение цифровых ИДТ, раз работанных фирмой National Semiconductor, как уже отмечалось выше, кроме измерения локальной (собственной) температуры позво ляет подключать удаленные термодатчики, в качестве которых может использоваться ди од или транзистор в диодном включении, на пример 2N3904, а также сенсор, встроенный в микропроцессор. Семейство LM82/83/84/86/ 88/90/91 (в таблице не показаны) цифровых ИДТ такого типа с последовательным двухпро водным интерфейсом SMBus позволяют подключать от одного до трех удаленных датчиков и обеспечивают точность измерения темпера туры от 1 до 3 °C в диапазоне от 0 до +125 °C. Выпускаются в 8-выводных корпусах SO и MSOP (LM86 и LM90) и 16-выводном QSOP.

Таблица. Основные параметры интегральных датчиков температуры National Semiconductor
Основные параметры интегральных датчиков температуры National Semiconductor

Для корректной работы аппаратных средств современных компьютеров необходим посто янный мониторинг напряжений питания и тем пературы микропроцессора, и, если эти пара метры выходят за предел допустимых значе ний, функционирование системы следует прекратить. Для контроля температуры мно гие современные микропроцессоры, в частно сти Pentium и др., снабжены расположенным непосредственно на кристалле специальным pn p-транзистором, коллектор которого соеди нен с подложкой, а база и эмиттер выведены на основной разъем процессора. Измерение тем пературы и напряжений питания, а также уп равление вентилятором охлаждения, выдачу в случае необходимости аварийных сигналов и блокировку работы системы производят спе циализированные контроллеры — системные мониторы (System Hardware Monitors).

Фирма National Semiconductor выпускает се мейство системных мониторов LM80/81/85/87 с последовательным двухпроводным интер фейсом SMBus в 24-выводных корпусах TSSOP. В частности, системный монитор LM85 контролирует четыре основные напряжения питания процессора (2,5, 3,3, 5,0 и 12 В), име ет встроенный термодатчик и позволяет под ключать два удаленных, сигналы с которых оцифровываются 8-разрядным АЦП, что позволяет измерять температуру в диапазоне от 0 до +125 °C с разрешением 1 °C. В состав монитора входит также система контроля дан ных от четырех тахометрических датчиков вентиляторов и три формирователя ШИМ-на пряжений для управления их работой. Пять цифровых входов VID— сигналов идентифи кации от процессора — позволяют устанавли вать определенные режимы работы монитора для различных ситуаций. Другие системные мониторы семейства имеют ряд дополнитель ных аналоговых и цифровых входов и выхо дов— сигналов прерывания, аварийного сбро са процессора, вскрытия шасси и др.

В заключение следует отметить, что ИДТ с цифровым интерфейсом, используемые для контроля температуры микропроцессоров и дру гих микросхем, обычно устанавливают прямо на материнских платах. Однако, как показыва ют эксперименты, теплопередача к термосенсо ру осуществляется в основном не через корпус микросхемы датчика, а через его выводы, поэто му фактически измеряется приповерхностная температура участка материнской платы и пе чатных проводников, и таким образом может возникнуть систематическая ошибка измерения температуры, которую следует определить и учи тывать в каждом конкретном случае.

Литература

  • Linear/Mixed-Signal Designer's Guide Summer 2002. National Semiconductor. 2002.
  • Kester W., Briant J., Jung W.. Practical Design Techniques For Sensor Signal Conditioning. Chap. 7. Перевод в журнале «Схемотехни- ка». 2000. № 3.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке