Датчики температуры (продолжение)

основы схемотехники
(Продолжение. Начало № 1, 2/2000)
Датчики
температуры
Мы продолжаем публикацию перевода 7 главы за
мечательного учебника “Practical Design Techniques
For Sensor Signal Conditioning”, созданного специа
листами фирмы Analog Devices. В предлагаемом
материале авторы подробно останавливаются на
полупроводниковых температурных сенсорах.
Полупроводниковые температурные датчики
Современные полупроводниковые датчики температуры ха
рактеризуются высокой точностью и линейностью в диапазоне
температур от 55 до +150°С. Встроенные усилители могут при
водить коэффициент преобразования датчика до значений по
рядка 10 мВ/°С. Эти устройства широко используются в узлах
компенсации холодного спая для термопар, работающих в ши
роком температурном диапазоне.
В основе работы всех полупроводниковых температурных
датчиков лежит соотношение между коллекторным током бипо
лярного транзистора и напряжением, приложенным к переходу
базаэмиттер:
VBE =
kT æ Ic ö
lnç ÷
q çè Is ÷ø
где: k постоянная Больцмана, Т абсолютная температура, q
заряд электрона, Is ток, зависящий от геометрии и темпера
туры перехода. (Это соотношение справедливо начиная с не
скольких сотен милливольт и не учитывает некоторые тонкие
эффекты).
Если мы возьмем N транзисторов, идентичных первому (см.
рис. 19) и предположим, что Iс общий ток коллектора, поровну
распределен между всеми транзисторами, то обнаружим, что
новое значение напряжения базаэмитттер будет определено
соотношением:
VN =
kT æ Ic ö
÷
lnç
q çè N ⋅ Is ÷ø
Ни одна из этих цепей не используется в качестве самостоя
тельного датчика изза сильной температурной зависимости
Рис. 19. Основные соотношения для полупроводниковых
температурных датчиков
тока Is, но если мы пропустим равные токи через один биполяр
ный транзистор и через N идентичных ему, то разность между
этими двумя базаэмиттерными напряжениями пропорцио
нальна абсолютной температуре и не зависит от Is.
∆VBE = VBE − VN =
kT æ Ic ö kT æ Ic ö
÷
lnç ÷ −
lnç
q çè Is ÷ø q çè N ⋅ Is ÷ø
é æ Ic ö
æ I öù
êlnçç ÷÷ − lnçç c ÷÷ú
êë è Is ø
è N ⋅ Is øúû
é æ Ic ö
ù
êç ÷
ú
kT ê çè Is ÷ø
ú = kT ln(N)
∆VBE = VBE − VN =
ln
ê
ú
æ
ö
I
q
q
ç c ÷ú
ê
ç N ⋅I ÷
êë
s øúû
è
∆VBE = VBE − VN =
kT
q
Цепь, показанная на рис. 20, описывается приведенным выше
соотношением и известна как ячейка Брока (Brokaw Cell). На
пряжение ∆VBE = VBE VN приложено к резистору R2. Ток эмит
тера Q2 определяется как ∆VBE/ R2. Примерно этой же величи
не равен и коллекторный ток I2 этого транзистора. Протекая
через резистор R, он создает на нем падение напряжения, рав
ное ∆VBE ⋅ R/R2, следовательно, напряжение на инвертирую
щем выводе ОУ равно Vинв = VIN ∆VBE ⋅ R/R2. Напряжение на
неинвертирующем выводе равно той же величине с точностью
до десятков микровольт, а поскольку в коллекторе Q1 установ
лен резистор, имеющий все тот же номинал R, то токи I1 и I2
оказываются равными. Они суммируются на резисторе R1. Па
дение напряжения на нем пропорционально абсолютной тем
пературе (РТАТ) и определяется формулой:
VPTAT =
2R1(VBE − VN )
R1 kT
=2
ln(N).
R2
R2 q
Опорное напряжение, вырабатываемое ячейкой VBANDGAP,
снимается с базы Q1 и является суммой VBE(Q1) и VPTAT. Как и
VPTAT,VBE(Q1) также линейно зависит от абсолютной темпера
туры, но с ростом ее падает (в оригинале эта зависимость на
звана комплементарной к абсолютной температуре, СТАТ). Сум
ма VPTAT и VСTAT при определенных значениях отношения R1/R2
и N оказывается не зависящей от температуры (когда отноше
ние R1/R2 и N таково, что напряжение на выходе ОУ равно 1,205
В). Описанная цепь является базовой и наиболее часто исполь
зуемой в схемотехнике полупроводниковых термодатчиков.
Термодатчики с выходом
по току и по напряжению
Концепция, реализованная при построении вышеописанной
ячейки Брока, может использоваться в качестве базовой для
различных интегральных температурных датчиков, формирую
щих на выходе температурно зависимые токи или напряжения.
AD592 и ТМР17 (рис. 21) являются датчиками тока с крутизной
преобразования 1 мкА/К. Эти сенсоры не требуют дополни
тельной калибровки и выпускаются с несколькими градация
ми точности. AD592 выпускается в трех вариантах. Самый
точный (AD592CN) имеет максимальную погрешность при 25°С
всего ±0,5°С и не более ±1,0°С во всем диапазоне температур
от 25 до +105°С. Нелинейность не превышает ±0,35°С. ТМР17
выпускается в двух вариантах. Более точный (ТМР17F) имеет
максимальную погрешность при 25°С не более ±2,5°С и не более
±3,5°С при температурах от 40 до +105°С. Типовая нелинейность
±0,5°С. AD592 выпускается в корпусе ТО92, а ТМР17 в SO8.
В некоторых случаях желательно чтобы выходное напряжение
температурного датчика было бы зависящим от напряжения
питания. AD22103 (рис. 22) имеет выходное напряжение,
обратно пропорциональное питающему (номинальное значение
3,3 В) в соответствии с уравнением:
V
28mV
æ
ö
VOUT = S V ⋅ ç 0.25V +
⋅ TA ÷.
3 .3
°C
è
ø
Схема, показанная на рис. 22 использует питание AD22103
как опорное для АЦП, таким образом, пропадает необходи
мость в дополнительном источнике опорного напряжения.
AD22103 специфицируется в диапазоне от 0°С до 100°С и имеет
точность лучше чем ±2,5°С и линейность лучше чем ±0,5°С.
29
основы схемотехники
Рис. 20. Классический температурный датчик (ячейка Брока)
Рис. 21. Температурные датчики с токовым выходом AD592 и
TMP17
Особенности:
l коэффициент преобразования 1 мка/К;
l номинальный ток при 25°С 298,2 мкА;
l диапазон напряжений от 4 до 30 В;
l ±0,5°С максимальная погрешность при 25°С, ±1°С во всем
рабочем диапазоне, ±0,1°С типовая нелинейность для
AD592CN;
l ±2,5°С максимальная погрешность при 25°С, ±3,5°С во всем
рабочем диапазоне, ±0,5°С типовая нелинейность для
TMP17F;
l рабочий диапазон температур от 25°С до +105°С для AD592CN;
l рабочий диапазон температур от 40°С до +105°С для TMP17F.
ТМР35/ТМР36/ТМР37 низковольтные (2,7
В...5,5 В) температурные датчики с крутизной
преобразования 10 мВ/°С ( ТМР35/36) или 20
мВ/°С (TMP37), выпускаемые в корпусах SOT
23 (5pin), SO8 или ТО92 (рис. 23). Ток по
требления их менее 50 мкА, что обеспечивает
крайне низкое собственное тепловыделение
(вносимая погрешность менее чем 0,1°С в не
подвижном воздухе). Режим пониженного по
требления (shutdown) характеризуется еще
более низким током – до 0,5 мкА.
ТМР35 вырабатывает на выходе 250 мВ при
температуре +25°С и работает в диапазоне +10
до +125°С. ТМР36 вырабатывает на выходе 750
мВ при 25°С, работая от – 40 до +125°С. И
ТМР35, и ТМР36 имеют крутизну преобразова
ния 10 мВ/°С . ТМР37 предназначается для при
менения в режиме от +5 до +100°С, обеспечи
вая крутизну преобразования 20 мВ/°С и вы
ходное напряжение 500 мВ при +25°С.
ADT45/ADT50 — температурные датчики на
пряжения, упакованные в корпус SOT233, ра
ботающие при напряжениях от 2,7 до 12 В (рис.
24). Эти приборы специфицированы в диапа
зоне от – 40 до +125°С. Крутизна преобразова
ния обеих микросхем – 10 мВ/°С . Типовые значения точности
калибровки – ±1°С при +25°С и ±2°С в диапазоне от 40 до
+125°С. ADT45 вырабатывает 250 мВ на выходе при +25°С и при
меняется при температурах от 0°С до +100°С. ADT50 обеспечива
ет 750 мВ при +25°С и работоспособна от – 40 до +125°С.
Если ADT45/ADT50 термически защищены, то они могут ис
пользоваться для любых температурных измерений при усло
вии, что температура окружающей среды лежит в диапазоне от
40 до +125°С. Если они находятся в хорошем тепловом контакте
с поверхностью или приклеены к ней, температура их будет
отличаться от температуры поверхности не более чем на 0,01°С.
Следует обратить внимание на то, что любые провода, идущие
к датчику, действуют на него как тепловые трубы, внося погреш
ность, если окружающая датчик среда не изотермична. Во из
бежание этого лучше всего нанести на идущие к сенсору прово
да и на его выводы каплю термопроводящей эпоксидной смо
лы. Это застрахует ADT45/ADT50 от ошибок за счет влияния
температуры окружающей среды.
В корпусе SOT233,тепловое сопротивление переходкорпус
(junctiontocase) θJC равно 180°С/Вт. Тепловое сопротивление кор
пусокружающая среда (casetoambient) θCA является разностью
между θJA и θJC и определяется термическими характеристиками
соединений (провода, дорожки платы, припой и т. д.). В отсут
ствие обдува, когда датчик припаян к плате, θJA составляет 300°С/
Вт. Рассеиваемая датчиком мощность РD определяется прило
женным к нему напряжением и потребляемым током (включая ток,
текущий в нагрузку). Она выделяется в виде тепла и увеличивает
температуру датчика в сравнении с температурой окружающей
среды. При этом температура датчика будет равна:
Схемотехника № 3 декабрь 2000
TJ = PD (θJC + θCA ) + TA .
Рис. 22. Температурный датчик с выходом по напряжению,
зависящим от напряжения питания
30
Таким образом, рост температуры припаянного к плате не
нагруженного ADT45/ADT50 (в корпусе SOT233) при отсут
ствии обдува, температуре среды 25°С и 5вольтовом питании
с потреблением 60 мкА (Р = 300 мкВт) составляет менее чем
0,09°С. С целью предотвращения возрастания температуры
датчика важно снижать ток нагрузки, всегда поддерживая его
менее 100 мкА.
Отклик на скачкообразное изменение температуры у ADT45/
ADT50 определяется тепловыми сопротивлениями, массой и
теплоемкостью кристалла и корпуса. Термическая масса кор
пуса зависит от того, находится ли он в контакте с чемто поми
мо окружающей атмосферы. Практически во всех случаях
термическая масса корпуса является фактором, ограничива
ющим быстродействие термодатчика, и в описании может быть
представлена при помощи некоторой постоянной времени од
нополюсной цепи. Термическая масса нередко рассматрива
основы схемотехники
Рис. 23. Температурные датчики с выходом по напряжению и
режимом пониженного потребления
Особенности:
l
выходное напряжение:
а) для TMP35: 250 мВ при 25°С, 10 мВ/°С, рабочий диапазон
температур от +10°С до +125°С;
б) для TMP36: 750 мВ при 25°С, 10 мВ/°С, рабочий диапазон
температур от 40°С до +125°С;
в) для TMP37: 500 мВ при 25°С, 20 мВ/°С, рабочий диапазон
температур от +5°С до +100°С;
l
±2°С типовая погрешность во всем рабочем диапазоне,
±0,5°С типовая нелинейность;
l
рабочий диапазон температур от 40°С до +125°С ;
l
потребляемый ток 50 мкА в рабочем режиме, 0,5 мкА в
режиме пониженного потребления).
ется как термический экивалент электрической емкости.
Постоянная времени термодатчика определяется как время,
необходимое ему для того, чтобы достичь уровня 63,2% от уста
новившегося значения выходного сигнала при скачкообразном
изменении температуры. Рис. 25 показывает зависимость
постоянной времени датчиков серий ADT45/ADT50 в корпусе
SOT233, припаянных к плате с медными проводниками, име
ющей размеры 0,338(0,303 дюйма, от скорости обдувающего
его воздушного потока. Отметим быстрое падение (от тридцати
двух секунд до двенадцати) при изменении скорости движении
воздуха от нуля (стоячий воздух) до ста футов в минуту (LFPM).
Для сравнения, постоянная времени ADT45/ADT50 в бурлящей
масляной ванне меньше, чем одна секунда, что подтверждает,
что важную часть этой константы зависит от свойств корпуса.
Вывод питания этих датчиков должен шунтироваться на об
щий провод при помощи керамического конденсатора емкос
тью 0,1 мкФ, имеющего очень короткие отводы (например, кон
денсатора для поверхностного монтажа) и, по возможности,
расположенного как можно ближе к выводу питания. Так как эти
термодатчики работают при очень маленьких токах, они могут
подвергаться очень сильному электрическому воздействию по
мех, идущих из окружающей среды, в связи с чем очень важно
минимизировать эффекты EMI/RFI. Эффект от RFI на этих дат
чиках обнаруживается как аномальное изменение постоянного
напряжения на выходе при фильтрации от высокочастотных
шумов от внутренних проводников и кристалла ИС. В тех случа
ях, когда датчики используются в условиях высокочастотного
излучения или помех от передатчиков, танталовый электроли
тический конденсатор достаточной емкости (>2,2мкФ), установ
ленный параллельно керамической емкости 0,1 мкФ керами
ческой может повысить помехозащищенность датчика.
Walt Kester, James Briant, Walt Jung
перевод и обработка Андрея Асташкевича
и Александра Фрунзе
Продолжение следует
Рис. 24. Температурные датчики ADT45/ADT50 с выходом по
напряжению
Особенности:
l
выходное напряжение:
а) для ADT45: 250 мВ при 25°С, 10 мВ/°С;
б) для ADT50: 750 мВ при 25°С, 10 мВ/°С;
l
±2°С типовая погрешность во всем рабочем диапазоне,
±0,5°С типовая нелинейность;
l
рабочий диапазон температур от 40°С до +125°С;
l
потребляемый ток 60 мкА.
Рис. 25. Постоянная времени температурного датчика в
корпусе SOT233 как функция скорости воздушного потока.
31