Jste zde

Teplotní čidla v praxi – 3. díl

Jan Robenek, 24. Květen 2010 - 7:14

Třetím dílem pokračujeme v české verzi příručky Temperature Sensor Design Guide – Temperature Measurement Solutions for Silicon IC Temperature Sensor, Thermocouple, RTD and Thermistor-Based Applications, vydané společností Microchip.

Teplotní čidla s napěťovým výstupem (Voltage Output Temperature Sensors) – pokračování

Aktivní lineární termistory (Linear Active Thermistors)

Integrované rodiny (ICs) aktivních lineárních termistorů (Linear Active Thermistor)

MCP9700/01 a MCP9700A/01A

řadíme mezi analogové snímače teploty, převádějící teplotu na výstupní napětí. Mohou tak účinně konkurovat zbývajícím řešením s termistory v otázce

ceny a také
dosahovaných technických parametrů.

Na rozdíl od odporových senzorů, jako jsou termistory, integrované provedení aktivních lineárních termistorů nevyžaduje přídavné struktury, zajišťující přizpůsobení signálu. Náklady, spojené s vývojem podpůrných zapojení pro běžné termistory, se tak mohou omezit na prosté zapracování těchto levných součástek přímo do návrhu. Pin napěťového výstupu Vout se pak jen přímo naváže na vstup A/D převodníku, který může být i součástí některého z mikrokontrolérů.

Výstupní napětí snímače odpovídá okolní teplotě na základě teplotního koeficientu

10 mV/°C nebo 19.5 mV/°C

s výstupním napětím, které se bude při 0 °C nacházet na

500 mV, resp. 400 mV.

Takové koeficienty jsou ideální pro 8bitové A/D převodníky s

referencí 5 V nebo 2.5 V.

Provozní spotřeba činí

6 μA (typ.),

přičemž celou nádheru ukrývá „prostor na plošném spoji šetřící“ pouzdro

SC-70 / SOT-23 s 5 piny nebo
3vývodové zapouzdření typu TO-92.

Typické aplikační schéma zapojení s aktivním termistorem

Základní vlastnosti obvodů MCP9700/01

5pinové pouzdro SC-70
3vývodové pouzdro TO-92
5pinové pouzdro SOT-23
Teplotní rozsah -40 °C až +125 °C
Teplotní koeficient 10 mV/°C (MCP9700)
Teplotní koeficient 19.5 mV/°C (MCP9701)
Malý proudový odběr 6 μA (typ.)

Některé možnosti využití obvodů MCP9700/01 a MCP9700A/01A

Zábavní systémy
Přístrojové vybavení domácností
Bateriové sady včetně napájecích zdrojů pro přenosnou elektroniku
Zcela univerzální monitorování teploty

Několik postřehů z praxe

Integrované obvody MCP9700/01 a MCP9700A/01A byly navrženy s ohledem na velké kapacitní zátěže. Tato schopnost následně podporuje odolnost teplotních čidel vůči parazitním kapacitám na plošném spoji, prvky mohou být umístěny na poněkud odlehlejším místě a s přehledem tam budit dlouhé cesty plošného spoje, příp. také stíněné kabely, vedoucí až do A/D převodníku. A co více, přidáme – li na Vout

další kapacitní zátěž,

„umravníme“ případné překmity či podkmity a ještě podpoříme přechodovou odezvu snímače. Vlastně jsme tak zajistili výrazně stabilnější vyčítání údajů o teplotě.

Teplotní čidla v integrovaném provedení využívají k měření teploty analogových struktur. Na rozdíl od číslicových systémů budou naše analogové prvky více citlivější na zarušené napájecí napětí. Vůbec tedy nepřekvapí, že doporučíme blokovací kapacitu

Cbypass o velikosti 0.1 μF až 1 μF,

umístěnou v těsné blízkosti pinů Vdd a Vss použitého snímače. Kondenzátor „zpomaluje“ rychlé přechodové děje a vytváří tak ochranu před krátkodobým rušením napájecího napětí. Účinnost blokování však také závisí na

vnitřním odporu zdroje napájecího napětí.

Větší vnitřní odpory vytváří s kapacitou Cbypass RC články, definují mezní kmitočet a filtrují tak rušení napěťového zdroje. Ke zvýšení vnitřního odporu přitom stačí vložit do napájecí větve sériový rezistor.

Způsob kompenzace integrovaných senzorů

Typická přesnost integrovaných teplotních čidel se při pokojové teplotě pohybuje v rámci

±1 °C,

přičemž na teplých i chladných extrémech bude chyba narůstat

exponenciálním způsobem.

Protože grafické znázornění chyby silně připomíná parabolu, můžeme začít popisovat

rovnicí druhého řádu.

Takový matematický aparát nám pomůže kompenzovat výchozí chybu čidla a dosáhnout tak vyšší přesnosti měření v požadovaném pracovním rozsahu. Děje se tak díky vyčíslení rovnice pro danou, zkoumanou teplotu (výstup čidla budeme uvažovat ve °C) a odečtení výsledku od sledovaného výstupu. Rozdíl, vyjádřený ve °C, pak tvoří kompenzovaný výstup teplotního čidla. K dosažení vyšší přesnosti můžeme rovnici počítat s využitím běžných mikrokontrolérů PIC, např.

PIC16FXXXX,
PIC18FXXXX,
PIC24FXXXX nebo
dsPIC30FXXXX.

Můžeme tedy stanovit, že:

Kompenzovaný výstup senzoru (°C) = výstup senzoru (°C) – chyba senzoru| výstup senzoru (°C)

Pro „nízko – úrovňové“ PICy typu

PIC10FXX,
PIC12FXXX,
PIC14FXXX nebo
PIC16FXXX

si rovněž můžeme pomoci malou look – up tabulkou.

Další informace naleznete v aplikační poznámce

AN1001: IC Temperature Sensor Accuracy Compensation with a PIC Microcontroller.

A jak to vypadá v praxi?

Rovnice 1, 2 a 3 zachycují vyjádření chyby rovnicí druhého řádu pro zkoumané obvody

MCP9800,
MCP9700/A, resp.
MCP9701/A.

Protože však tyto struktury vykazují určité funkční odlišnosti, budou se jejich provozní teplotní rozsahy včetně chybových koeficientů lišit. Závislosti odráží charakteristiky teplotních chyb u typické součástky.