Интегральные датчики температуры фирмы National Semiconductor

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

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

где U — напряжение на переходе, k — постоянная Больцмана, T— абсолютная температура, q— заряд электрона, I— ток через переход, I_s — обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигурации и температуры перехода. Отметим, однако, что вышеприведенную зависимость непосредственно использовать для точного измерения температуры нельзя по двум причинам. Вопервых, существует значительный разброс «начального» прямого падения напряжения на переходе, связанный с технологией его изготовления, а во-вторых, существенный вклад в зависимость U(T) вносит температурная зависимость Is. В связи с этим для измерения температуры в ИДТ используют разность напряжений двух p-n-переходов, а точнее, напряжений база эмиттер ΔU_BE двух транзисторов VT1 и VT2, которая может быть определена из выражения

ΔU_BE = U_BE1 – U_BE2 = (kT/q)ln(J_E1/I_E2),

где J_E1 и J_E2 — плотность тока эмиттеров транзисторов. Эффекты, связанные с током насыщения и начальным падением напряжения на p-n-переходах при этом компенсируются, и температурная зависимость становится линейной с высокой точностью. В реальных устройствах используют транзисторы с разными площадями эмиттерных переходов, что обеспечивает заданное соотношение плотностей тока эмиттеров, или набор одинаковых транзисторов, соединенных параллельно, — так называемую ячейку Брока (Brokaw Cell) [2]. Практическая схема измерения температуры с температурным коэффициентом выходного напряжения 10 мВ/°K приведена на рис. 1.

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

Требуемое значение коэффициента достигается определенным соотношением сопротивлений резисторов 26R и 23R. Резистор 100R, используется для точной калибровки датчика. Данная схема применяется в популярных микросхемах ИДТ LM135 — LM335 (отечественный аналог К1019ЕМ1), которые будут подробно рассмотрены ниже.

Дальнейшее совершенствование интегральных датчиков температуры было направлено на повышение линейности и точности измерений. Появились также специализированные микросхемы — контроллеры для работы с удаленными термочувствительными элементами (диодами или транзисторами), которые могут располагаться непосредственно в контролируемом устройстве, например микропроцессоре. В этом случае микросхема-контроллер проводит поочередное измерение выходных напряжений
сенсора при двух заданных значениях тока, а затем расчет разности этих напряжений и температуры согласно приведенным формулам.

Максимальный диапазон температур, перекрываемый интегральными полупроводниковыми датчиками, составляет от –60 до +200 °С, минимальная погрешность измерений зависит от диапазона измеряемых температур и может составлять менее десятых долей градуса. Следует отметить, что точность измерения температуры зависит от типа корпуса датчика, его конструктивного выполнения и размещения в системе. На результаты измерений влияет также собственное тепловыделение ИДТ, определяемое приложенным к нему напряжением и потребляемым током.

Перейдем теперь к рассмотрению доступных интегральных термодатчиков National Semiconductor (таблица). Выпускаемые в настоящее время приборы можно условно разделить на две группы. Первая их них — датчики с аналоговым выходом, величина напряжения на котором пропорциональна измеряемой температуре в градусах Кельвина или Цельсия (в последнем случае для корректного отсчета отрицательной температуры требуется двухполярное питание ИДТ или к выходному напряжению датчика, пропорциональному измеряемой температуре, прибавляется некоторое постоянное число). Вторая группа — ИДТ с цифровым выходом, в простейшем варианте это может быть выход одно- или
двухпорогового компаратора, переключающегося, когда измеренная величина температуры выходит из области заданных значений. Датчики такого типа широко используются в различных термостатирующих устройствах. Цифровой выход большинства современных ИДТ вы полняется в виде последовательного интерфейса, наиболее распространены двухпроводной I²C и трехпроводные SPI и MICROWARE. Соответствующее программное обеспечение, необходимое для работы таких датчиков, имеется на сайте фирмы.

Мы начнем рассмотрение с прецизионных датчиков температуры в градусах Кельвина с аналоговым выходом LM135, LM235 и LM335. Особенность данных приборов — двухпроводное включение по схеме, аналогичной стабилитрону. 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, выходное напряжение с высокой точностью равно 10°K мВ. При необходимости возможна точная калибровка датчика, для этого используются третий вывод и внешний подстроечный резистор, как показано на рис. 2б. При температуре 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 транзисторных 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 монтажа (LM335M).

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 аналоговым выходом LM35 и LM45 не требуют калибровки и работают в широком диапазоне питающих напряжений. Типовая схема включения ИДТ LM35 для измерения положительных температур приведена на рис. 3а, а для всего диапазона температур — на рис. 3б. Небольшая величина потребляемого тока (реально 60 мкА) уменьшает погрешность измерений из-за саморазогрева датчика. ИДТ LM35 выпускаются в различных модификациях по диапазону температур: 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 четырех типах корпусов: TO-46 (LM35H, LM35AH, LM35CH, LM35CAH и LM35DH), TO-92 (LM35CZ, LM35CAZ и LM35DZ), TO-220 (LM35DT) и SO-8 (LM35DM). Точность датчика LM45B составляет 3 °C, а LM45C — 4 °C в диапазоне температур от –20 до +100 °C. Эти термодатчики выпускаются в корпусе SOT-23.

Рис. 3. Типовая схема включения интегральных датчиков температуры Цельсия LM35/45

а) для положительных температур

б) для всего диапазона температур

Аналогичные параметры имеет и интегральный термодатчик LM50, отличительная особенность которого— смещение выходного напряжения на +500 мВ, что дает возможность обойтись однополярным питанием во всем диапазоне измеряемых температур. LM50 выпускается в двух модификациях: LM50B — диапазон измеряемых температур от –25 до +100 °C, точность измерений 3 °C; и LM50С — от –40 до +125 °C, 4 °C соответственно.

ИДТ LM60 и LM62 работают при напряжении питания от 2,7 В. Благодаря малому потреблению тока погрешность измерения температуры из-за саморазогрева не превышает
0,2 °C в воздухе. LM60 выпускается в корпусах 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 небольшую параболическую составляющую, максимальная погрешность измерений во всем диапазоне измеряемых температур от –55 до +130 °C для ИДТ модификации LM20B не превышает ±2,5 °C, а для LM20C — ±5 °C. В отличие от рассмотренных выше датчиков, выполненных по биполярной технологии, у LM20 температурный коэффициент отрицательный. В диапазоне температур от –40 до +85 ±C выходное напряжение 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 расчетов во всем температурном диапазоне для сохранения минимальной погрешности в коэффициенты следует вносить поправки.

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

Интегральный датчик температуры LM56 предназначен для использования в термостатах. Функциональная схема ИДТ LM56 и графики, поясняющие особенности его функционирования, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Интегральный датчик температуры — термостат LM56

а) функциональная схема

б) зависимость выходных напряжений от температуры

Используя внешние резисторы и внутренний источник опорного напряжения 1,250 В, на контактах 3 и 2 задают пороговые напряжения переключения компараторов VT1 и VT2, соответствующие заданным температурам Т1 и Т2. В результате на выходе 1 (OUT1 — контакт 7) формируется напряжение низкого уровня, если температура превысит значение Т1, и, соответственно, напряжение высокого уровня, если температура упадет ниже значения Т1 – Тhyst (Тhyst ≈ 5 °C). Аналогично по отношению к температуре Т2 формируется сигнал на выходе 2 (OUT2 — контакт 8). Напряжение на выходе микросхемы VTEMP (контакт 5) пропорционально температуре в градусах Цельсия с коэффициентом 6,2 мВ/°C и смещено на +395 мВ, погрешность измерения температуры во всем диапазоне не превышает 3 °C для модификации 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 максимальный ток коллекторов выходных транзисторов составляет всего 50 мкА, что требует подключения к ним достаточно высокоомной нагрузки. LM56 выпускаются в обычных и миникорпусах SO-8.

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

Перейдем теперь к рассмотрению интегральных датчиков температуры с цифровым выходом. ИДТ LM70 и LM74 представляют семейство цифровых термодатчиков с последовательным интерфейсом, совместимым с протоколами Motorola SPI и National Semiconductor MICROWARE. Функциональная схема LM70 приведена на рис. 6, LM74 отличается от него 13-битным АЦП. LM70/74 функционируют как ведомые устройства, полный цикл приема-передачи данных занимает 32 такта сигнала SC, из которых первые 16 отводятся передаче данных на контроллер, а вторые — приему. Управление работой датчика производится путем записи данных в конфигурационный регистр, для идентификации ИДТ и считывания результатов измерений служат регистр идентификации и температур ный регистр, работающие в режиме чтения.

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

LM70/74 аппаратно совместимы практически с любыми микроконтроллерами, программирование которых в этом случае не составляет большого труда. Для экономии энергии в интервале между измерениями имеется возможность перевода ИДТ в режим shutdown с током потребления менее 10 мкА, что может быть очень полезно в устройствах с автономным питанием. 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 последовательный двухпроводной интерфейс по протоколу Philips I2C, а также дополнительные цифровые выходы, изменяющие свое со
стояние, когда температура превышает заданное значение (OverTemper) или выходит из заданных пределов (OverWin). Последние выполнены с открытым стоком и могут использоваться для построения термостатов, сигнализаторов превышения температуры, а так же для работы микроконтроллера по прерыванию. Функциональная схема LM76
приведена на рис. 7. ИДТ функционируют как ведомые устройства, имеется развитая система внутренних регистров для установки режимов работы и параметров выходных сигналов. Для облегчения программирования термодатчиков на сайте фирмы свободно предлагается соответствующее программное обеспечение. В интервале между измерения
ми имеется возможность перевода ИДТ в режим shutdown с током потребления не более 8 мкА. LM75/6/7 выпускаются в 3- и 5-вольтовой модификации в корпусах с 8 выводами
SO и MSOP.

Рис. 7. Схема управления, регистры, интерфейс I2C

Последнее поколение цифровых ИДТ, разработанных фирмой National Semiconductor, как уже отмечалось выше, кроме измерения локальной (собственной) температуры позволяет подключать удаленные термодатчики, в качестве которых может использоваться диод или транзистор в диодном включении, например 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 двухпроводным интерфейсом SMBus позволяют подключать от одного до трех удаленных датчиков и обеспечивают точность измерения температуры 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.

Для корректной работы аппаратных средств современных компьютеров необходим постоянный мониторинг напряжений питания и температуры микропроцессора, и, если эти параметры выходят за предел допустимых значений, функционирование системы следует прекратить. Для контроля температуры многие современные микропроцессоры, в частности Pentium и др., снабжены расположенным непосредственно на кристалле специальным pnp-транзистором, коллектор которого соединен с подложкой, а база и эмиттер выведены на основной разъем процессора. Измерение температуры и напряжений питания, а также управление вентилятором охлаждения, выдачу в случае необходимости аварийных сигналов и блокировку работы системы производят специализированные контроллеры — системные мониторы (System Hardware Monitors).

Фирма National Semiconductor выпускает семейство системных мониторов LM80/81/85/87 с последовательным двухпроводным интерфейсом 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), имеет встроенный термодатчик и позволяет подключать 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 данных от четырех тахометрических датчиков вентиляторов и три формирователя ШИМ-напряжений для управления их работой. Пять цифровых входов VID— сигналов идентификации от процессора — позволяют устанавливать определенные режимы работы монитора для различных ситуаций. Другие системные мониторы семейства имеют ряд дополнительных аналоговых и цифровых входов и выходов— сигналов прерывания, аварийного сброса процессора, вскрытия шасси и др.

В заключение следует отметить, что ИДТ с цифровым интерфейсом, используемые для контроля температуры микропроцессоров и других микросхем, обычно устанавливают прямо на материнских платах. Однако, как показывают эксперименты, теплопередача к термосенсору осуществляется в основном не через корпус микросхемы датчика, а через его выводы, поэтому фактически измеряется приповерхностная температура участка материнской платы и печатных проводников, и таким образом может возникнуть систематическая ошибка измерения температуры, которую следует определить и учитывать в каждом конкретном случае.