Jste zde

Teplotní čidla v praxi – 1. díl

Jan Robenek, 14. Květen 2010 - 13:26
100_per.jpg

Prvním dílem otevíráme českou verzi příručky Temperature Sensor Design Guide – Temperature Measurement Solutions for Silicon IC Temperature Sensor, Thermocouple, RTD and Thermistor-Based Applications, vydané společností Microchip.

Řešení, popisovaná v této příručce, vycházejí z níže uvedených obvodů. Přehled všech dostupných součástek včetně související technické dokumentace naleznete na stránkách www.microchip.com.

Teplotní čidla s napěťovým výstupem (Voltage Output Temperature Sensors)

  • MCP9700
  • MCP9701
  • MCP9700A
  • MCP9701A
  • TC1046
  • TC1047A

Teplotní čidla s logickým výstupem (Logic Output Temperature Sensors)

  • TC620
  • TC621
  • TC622
  • TC623
  • TC624
  • TC6501
  • TC6502
  • TC6503
  • TC6504

Teplotní čidla se sériovým výstupem (Serial Output Temperature Sensors)

  • MCP9800
  • MCP9801
  • MCP9802
  • MCP9803
  • MCP9805
  • MCP98242
  • TC72
  • TC74
  • TC77
  • TCN75
  • TCN75A

Komparátory a operační zesilovače (Comparators and Operational Amplifiers)

  • TC913A
  • TC7650
  • TC7652
  • MCP616
  • MCP6541
  • MCP6542
  • MCP6543
  • MCP6544
  • MCP6001
  • MCP6021
  • MCP6231
  • MCP6271
  • MCP6281
  • MCP6291

PGA (PGA)

  • MCP6S21
  • MCP6S22
  • MCP6S24
  • MCP6S28

Přehled teplotních čidel

Měření a následné vyhodnocení teploty spojujeme neodmyslitelným způsobem s celou řadou nejrůznějších systémů. Pro tyto účely máme k dispozici spoustu pasivních i aktivních teplotních senzorů, včetně

  • termočlánků (Thermocouple),
  • odporových snímačů teploty (Resistive Temperature Detector),
  • termistorů (Thermistor) či
  • polovodičových, „křemíkových“ struktur (Silicon Temperature Sensors).

Zmíněné senzory zajišťují systémovému kontroléru potřebnou zpětnovazební informaci o aktuální teplotě, využitelnou při rozhodování o

  • nadlimitním teplotním shutdownu,
  • aktivaci nebo deaktivaci chladícího ventilátoru,
  • teplotní kompenzaci nebo jen
  • v souvislosti se zcela univerzálním sledováním teploty.

Microchip má ve své nabídce spoustu podpůrných obvodů pro realizaci teplotního managementu, zahrnujících snímače s

  • logickým výstupem (Logic Output),
  • napěťovým výstupem (Voltage Output) nebo také
  • sériovým výstupem (Serial Output).

Jako vývojáři tak můžeme sáhnout po struktuře, která nejlépe vyhovuje požadovaným vlastnostem. Za klíčové přitom budeme považovat

  • vysokou přesnost (High Accuracy),
  • nízkou spotřebu (Low Power),
  • rozšířený teplotní rozsah (Extended Temperature Range) a rovněž
  • malé rozměry pouzdra (Small Packages).

Sluší se rovněž zdůraznit, že lineárními obvody od Microchipu lze podpořit i mnohé aplikace s

  • termočlánky (Thermocouple),
  • RTD (RTD) či
  • termistory (Thermistor).

Běžné způsoby připojení čidel

Některé aplikace, využívající měření teploty

Výpočetní technika

  • Ochrana CPU proti přehřátí
  • Řízení ventilátoru

Mobilní technologie, PCS

  • Teplotní kompenzace koncových stupňů
  • Detekce teploty zobrazovací jednotky při řízení kontrastu

Systémy s vestavěnými napájecími zdroji

  • Shutdown při překročení teplotní meze
  • Management bateriových zdrojů napětí

Polovodičové struktury teplotních čidel

Teplotní čidla s logickým výstupem (Logic Output Temperature Sensors)

Rodina snímačů teploty s logickým výstupem nabízí solidní

  • přesnost (typ. ±1 °C)

spolu s velmi malou provozní spotřebou, nepřekračující

  • 600 μA.

Zmíněné obvody mohou v celé řadě snímacích i řídicích aplikací nahradit mechanické spínače.

Teplotní čidla s napěťovým výstupem (Voltage Output Temperature Sensors)

Teplotní senzory s napěťovým výstupem generují výstupní napětí, které bude úměrné nasnímané teplotě. V typických zapojeních přitom pracujeme s teplotními koeficienty

  • 6.25 mV/°C,
  • 10 mV/°C, resp.
  • 19.5 mV/°C.

Tyto převodníky teploty na napětí přitom mohou pokrývat rozsah

  • -40 °C až +125 °C,

umocněný

  • napěťovým offsetem,

umožňujícím čtení záporných teplot bez současné potřeby záporného napájecího napětí. Extrémně malé proudové odběry minimalizují ohřev sebe sama a ještě k tomu stojí za prodlouženou výdrží bateriových zdrojů.

Teplotní čidla se sériovým výstupem (Serial Output Temperature Sensors)

Snímače se sériovým nebo také digitálním výstupem zajistí vynikající přesnost,

  • typ. ±0.5 °C,

a ani přitom nespotřebují hodně proudu, jen nějakých

  • 250 μA (typ.).

Komunikace s tímto druhem struktury se odehrává prostřednictvím protokolů průmyslově standardizovaných rozhraní, kompatibilních s

  • SMBus,
  • I2C™ nebo
  • SPI.

Obvody zvládají vysoké rychlosti převodu s rozlišením, platným pro celou rodinu, v rozmezí

  • od 0.0625 °C až do 0.5 °C.

Termočlánky (Thermocouples)

Termočlánky mají své místo na slunci díky vskutku

  • širokému teplotnímu rozsahu již od -270 °C až do 1750 °C,
  • odolnosti a také
  • ceně.

Na druhé straně však vykazují

  • vysokou nelinearitu

a proto se často neobejdou bez výrazných linearizačních algoritmů. A co více, výstupní napětí zmíněných elementů bude poměrně malé, přirovnáme – li je k obvodům, které dokáží převádět napěťové signály na číslicovou odezvu. Ať tedy chceme nebo ne, musíme do akce nasadit i

  • analogové zesilovací stupně.

RTD (Resistive Temperature Detectors, RTDs)

RTD prvky umí snímat teplotu s

  • mimořádnou přesností,
  • odpovídající a také opakovatelnou odezvou a
  • malou chybou z titulu driftu
  • v rozsahu od -200 °C až do +850 °C.

Pro další navýšení preciznosti, a také kvůli přítomným nelinearitám snímacího prvku, se i zde setkáváme s linearizační look – up tabulkou, zajišťovanou mikrokontrolérem.

Termistory (Thermistors)

Termistory se svým teplotním rozsahem

  • od -100 °C do +150 °C

využijeme např. při shutdownech, spouštěných nadlimitními teplotami. Třebaže nejsou ve srovnání s jinými čidly tak přesné, svou oblibu si vydobyly

  • nízkou cenou a
  • malými rozměry pouzder.

I ony však vykazují nelinearity a mohou tak vyžadovat teplotní kompenzace pomocí look – up tabulky.

Pokračování příště.

Související odkazy na hw.cz:

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

 

Hodnocení článku: