Кроме того, в статье рассматриваются ключевые критерии проектирования (точность измерения температуры, энергопотребление, стоимость и размер системы, сложность разработки) каждого из этих решений. Мы обсудим решение для мониторинга температуры удаленных полупроводниковых диодов, которое позволяет исключить многие ограничения, свойственные традиционным решениям. В статье также обсуждаются вопросы использования интегрированных функций, к которым относятся коррекция погрешности, обусловленной сопротивлением проводов, динамическое усреднение, мониторинг повышенной, пониженной и критической температуры, позволяющих улучшить характеристики системы. Наконец, мы упомянем те средства, которые позволяют разработчикам найти наиболее подходящее решение для конкретного приложения.
Термисторы
Чаще всего для измерения температуры применяются термисторы. Температурный коэффициент этих устройств, изготовленных из полупроводниковых материалов, может быть положительным (PTC-тип) или отрицательным (NTC-тип). Сопротивление термистора меняется в зависимости от температуры. Сопротивление термистора PTC-типа растет с увеличением температуры, а у NTC-типа – уменьшается с ее ростом.
У термисторных решений имеется несколько преимуществ. Во-первых, термисторы очень чувствительны к изменению температуры. Они малоинерционны, очень быстро реагируют на это изменение и недорого стоят. Самым большим недостатком этих устройств является их высокая нелинейность в широком температурном диапазоне.
Рис. 1. Схема формирования сигнала термистора с фиксированным КУ и соответствующей выходной характеристикой.
На рисунке 1 показана схема термисторная с фильтром нижних частот (AYX) и буферным усилителем с фиксированным коэффициентом усиления (КУ). ФНЧ, состоящий из резистора R2 и конденсатора C1, фильтрует шум в системе, который поступает с выхода датчика и буфера с единичным КУ для управления резистивной и емкостной нагрузками. Напряжение на термисторе VТЕРМ прямо пропорционально температуре. На графике видно, что характеристика является линейной в диапазоне 0–70°С. Однако при иных температурах наблюдается существенная нелинейность. При этом сопротивление в зависимости от температуры изменяется намного меньше, чем в линейной области. Таким образом, требуется определенное усиление сигнала, чтобы повысить разрешение, с которым осуществляется измерение низкой и высокой температуры.
Цена термисторов невысока. Они обеспечивают точный контроль температуры в ограниченном диапазоне. Чтобы повысить точность за его пределами, требуется сложная схема, что ведет к удорожанию конечного решения. В большинстве случаев лучше подходят другие решения, например микросхемы для формирования сигнала полупроводниковых датчиков температуры окружающей среды или для мониторинга температуры удаленных диодов в расширенном диапазоне. В приложениях с многозонным контролем у ИС, формирующих сигнал от удаленных диодов, имеются большие ценовые преимущества.
Резисторные датчики температуры
Резисторные датчики температуры (РДТ) – надежное решение для реализации мониторинга температуры. Эти датчики обеспечивают очень высокую повторяемость измерений и отличную стабильность. Точность измерений РДТ высока в диапазоне нескольких сотен градусов Цельсия. Для такой точности требуется обеспечить тщательное масштабирование, калибровку и корректное преобразование сопротивления в температуру. С этой целью используются широко распространенные международные стандарты и спецификации.
В базовой схеме РДТ используется источник постоянного тока для смещения и аналоговая цепь, например с инструментальным усилителем (ИУ), которая измеряет напряжение на РДТ. Выходной сигнал этого усилителя поступает в АЦП для оцифровки. Остальные цепи преобразуют сигнал об изменении температуры в частоту. Например, релаксационный генератор в схеме на рисунке 2 использует RC-цепочку и компаратор для генерации частоты, значения которой прямо пропорциональны изменению температуры. Данные об этой частоте напрямую передаются в микроконтроллер для оцифровки. При проектировании схемы РДТ следует учитывать эффект саморазогрева.
Рис. 2. Недорогая реализация схемы РДТ
РДТ обеспечивают превосходную повторяемость измерений, точный контроль, измерение и мониторинг температуры в широком диапазоне. Недостатками этой технологии являются стоимость, сложность разработки и сравнительно большое энергопотребление.
Термопары
У термопар – очень широкий диапазон рабочей температуры, составляющий –270…1750°C. Американское общество приборостроения (ISA) определяет классификацию имеющихся на рынке термопар по их рабочим характеристикам. К типам E, J, K и T относятся термопары с металлическим основанием, которые измеряют температуру в диапазоне –200…1000°C. К типам S, R и B относятся термопары на основе благородных металлов. Эти устройства предназначены для измерения температуры в диапазоне –50…2000°C.
В термопарах применяются два металлических сплава – алюмель и хромель. Термопара образована двумя проводниками из этих металлов. Одни концы этих проводников сварены друг с другом, другие разомкнуты. Электрические характеристики проводников в месте сварки зависят от температуры. Вольтметр измеряет напряжение на открытых концах термопары. Величина напряжения прямо пропорциональна величине изменяемой температуры. Поскольку характеристики этих устройств очень нелинейны, требуются алгоритмы линеаризации.
Спай, которым измеряется температуры среды, называется «горячим» соединением, а свободные концы термопары называют «холодными» – их подключают к вольтметру. Измеряемая температура представляет собой разность между температурой «горячего» и «холодного» соединений. При этом свободные концы находятся при температуре окружающей среды. Эта температура, являющаяся исходной для «горячего» контакта, измеряется, в свою очередь, разными методами.
Поскольку напряжение полной шкалы термопары не превышает 100 мВ, требуется высококачественная схема формирования аналогового сигнала.
Рис. 3. Структурная схема измерения температуры с помощью термопары
На рисунке 3 показана типовая схема термопары, которая подключена к измерительной системе с использованием фильтров электромагнитных помех для промышленных приложений. Концы термопары подключены к положительной и отрицательной шинам питания через резисторы с большими сопротивлениями, что позволяет схеме обнаружить разомкнутую цепь. Для формирования сигнала можно задействовать усилитель с автоматической коррекцией нуля смещения и чопперный усилитель благодаря малому напряжению смещения и хорошему подавлению синфазного сигнала (CMR). Цепь компенсации холодного спая реализуется с помощью микросхемы для формирования сигнала с удаленного диода, а также с использованием удаленного диода, установленного на печатной плате.
Полупроводниковые датчики температуры окружающей среды
Многие производители выпускают полупроводниковые датчики температуры. Эти устройства классифицируются по типу выходного сигнала, а также по логическим уровням напряжения и типу интерфейса. ИС датчиков оснащены многими полезными функциями, которые позволяют реализовать приложение в соответствии с конкретными требованиями. Микросхемы датчиков температуры намного упрощают проектирование, а их встроенные функции уменьшают стоимость всей системы.
ИС формирования сигналов с удаленных полупроводниковых диодов
Прежде в персональных компьютерах и серверах уже применялись микросхемы для формирования сигналов от удаленных диодов. Однако эта хорошо зарекомендовавшая себя технология мало используется в других широко распространенных приложениях, где СА ее помощью обеспечивается существенная экономия и улучшаются характеристики изделий за счет интегрированных функций.
Микросхемы, формирующие сигнал от удаленных диодов, контролируют величину ΔVБЭ p-n-p-перехода или стандартного диода на основе n—p—n-транзистора с закороченным переходом коллектор-база. Одним из преимуществ использования n—p—n-транзистора промышленного стандарта заключается в очень малой цене этих элементов при больших объемах выпуска. В приложениях, где необходим тщательный контроль над множеством температурных зон, использование стандартных n—p—n-транзисторов обеспечивает существенную экономию затрат.
Рис. 4. Типовые диодные включения для мониторинга температуры с помощью ИС MCP9904
На рисунке 4 показаны типовые диодные включения n—p—n— и p—n—p-транзисторов MCP9904 с закороченным соединением коллектор-база от Microchip.
В обоих случаях микросхема MCP9904 формирует токи через транзисторы и измеряет напряжение VБЭ. Эти токи вытекают с вывода DP и возвращаются через DN. Температура определяется с помощью уравнения (1); подробнее см. [5].
(1)Транзистор p—n—p-типа подключен к выводам DP1 и DN1. Как видно из уравнения (2), в такой конфигурации обратный ток ограничен β – величиной коэффициента усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером, что, в свою очередь, ограничивает разрядку фильтрующей емкости между выводами DP1 и DN1. По этой причине рекомендуется использовать n—p—n-транзистор.
(2) На рисунке 4 также показана антипараллельная диодная конфигурация, в которой два транзистора с диодными включениями используют два одинаковых вывода. Поясним, как работает эта схема. В рассмотренном выше примере микросхема MCP9904 использует два значения токов, чтобы определить температуру транзистора. При этом, однако, устройство меняет направление этих токов. В одном из направлений один диод выключен, а другой включен, что позволяет устройству контролировать температуру в большем диапазоне с помощью меньшего числа выводов. Преимущество такой схемы состоит в меньшей стоимости устройства и использовании корпуса меньшего размера. Заметим, что в конфигурации n—p-n база транзистора подключена к коллектору, а обратный тракт тока к выводу DN начинается с эмиттера. Поскольку в этой схеме обратный ток не зависит от β, емкость фильтра между DP и DN больше.
Как уже упоминалось, микросхемы для формирования тока удаленных диодов оснащены такими полезными функциями как динамическое усреднение, коррекция последовательного сопротивления, программируемые пользователем пороговые сигналы. Функция динамического усреднения дискретизирует с повышенной частотой измеренные значения ΔVБЭ и увеличивает усредненную величину, чтобы минимизировать влияние кондуктивных помех. Во многих современных приложениях имеется несколько источников кондуктивного шума, который влияет на результаты измерения сигнала ΔVБЭ. Среди таких приложений – инверторы систем задней подсветки, линии данных и тактирования, а также импульсные источники питания. Заметим, что изменению температуры на 1°С соответствует изменение величины VБЭ на 250 мкВ.
Паразитное последовательное сопротивление величиной 1 Ом вносит погрешность измерения +0,656°C. Этим сопротивлением может стать сопротивление подложки, выводов корпуса, проводников и кабеля при измерении температуры вне платы. Микросхемы для формирования сигнала с удаленных диодов позволяют исключить влияние последовательного сопротивления величиной вплоть до сотен Ом, обеспечивая два дополнительных тока и выбирая соотношение, которое устраняет член RПОСЛ из уравнения (3):
Подробнее о коррекции погрешности сопротивления см. [6].
Функции программирования пороговых сигналов и предельного нагрева позволяют хост-микроконтроллеру загрузить значение, которое сигнализирует о выходе из заданного диапазона рабочей температуры, во внутренний регистр, находящийся в полупроводниковом датчике температуры, с помощью последовательного интерфейса. В соответствующих случаях датчик сигнализирует главному контроллеру о нарушении границ этого диапазона. Данная функция применяется для включения света или управления вентилятором; при этом не требуется, чтобы микроконтроллер непрерывно отслеживал температуру, что позволяет освободить часть его ресурсов. Кроме того, упрощается разработка программного и аппаратного обеспечения
Выводы
Термисторы обеспечивают недорогое решение для измерения температуры в приложениях с ограниченным диапазоном температуры. РДТ имеют высокую точность в диапазоне сотен градусов Цельсия, но требуют тщательного масштабирования и калибровки. Термопары предназначены, в первую очередь, для приложений, работающих при высоких температурах. Однако решения на основе РДТ и термопар дорогостоящи, а их проектирование трудоемко. Полупроводниковые датчики температуры на базе ИС и микросхемы, предназначенные для формирования сигнала удаленных датчиков, упрощают проектирование, обеспечивая при этом достаточно высокую точность в широком диапазоне температуры. Кроме того, эти ИС оснащены многими функциями, которые улучшают гибкость системы и ее характеристики.
Датчики температуры имеют ряд достоинств и недостатков. Ни один тип датчика не соответствует всем потребностям приложений по измерению температуры, а корректный выбор решения по измерению температуры осложняется наличием множества предлагаемых на рынке вариантов. Компания Microchip выпускает очень полезный инструментальный набор, позволяющий выбрать наиболее подходящее решение по управлению тепловым режимом на основе заданных параметров. С этой целью разработчикам предлагается селектор MAPS (Microchip Advanced Parts Selector) [9].
Литература
1. Microchip Technology. Application Note #AN897. Thermistor Temperature Sensing with MCP6S2X PGA.
2. Microchip Technology. Application Note #AN895. Oscillator Circuits for RTD Temperature Sensors.
3. Microchip Technology. Application Note #AN1001. IC Temperature Sensor Accuracy Compensation with a PIC Microcontroller.
4. Microchip Technology. Application Note #AN1306. Thermocouple Circuit Using MCP6V01 and PIC18F2550.
5. Microchip Technology. Application Note # AN10.14. Using Temperature-Sensing Diodes with Remote Thermal Sensors.
6. Microchip Technology. Application Note #AN13.19. Resistance Error Correction.
7. American Society for Testing Materials//www.astm.com.
8. National Institute of Standards and Technology//www.NIST.com.
9. www.microchip.com/maps.
26 мая, 2011
4 июля, 2017