Журнал "Новости Электроники", номер 10, 2007 год.Интегральные датчики температуры National Semiconductor
Cегодня National Semiconductor - это один из ведущих производителей аналоговых компонентов с высоким уровнем технических решений и характеристик. За 2006 год оборот компании превысил 5,6 млрд. долларов, штат сотрудников составляет свыше 8000 человек. National Semiconductor имеет сильные позиции в области интегральных датчиков температуры и на сегодняшний момент удерживает порядка 15% мирового рынка в данной области. Можно отметить привлекательную стоимость датчиков этого знаменитого производителя, по сравнению с аналогичными продуктами конкурентов.
Интегральные датчики температуры отличаются от других типов термодатчиков тем, что работают в диапазоне, обычно ограниченном температурой от -55 до 150°С. Часть интегральных датчиков температуры имеет указанный диапазон измерения, часть имеет более узкий диапазон, что обусловлено либо используемым типом корпуса, либо сделано для снижения стоимости. Самой главной отличительной особенностью интегральных датчиков по сравнению с другими типами датчиков температуры является их богатая функциональность. Интегральный кремниевый датчик температуры включает в себя термочувствительный элемент - первичный преобразователь температуры и схему обработки сигнала, выполненные на одном кристалле и заключенные в единый корпус. В отличие от использования термопар, в данном случае отсутствует необходимость разрабатывать схему компенсации холодного спая и схему линеаризации выходного сигнала. Также нет необходимости разрабатывать и применять внешние схемы компараторов или АЦП для преобразования аналоговых сигналов в логические уровни или цифровой код на выходе - все эти функции уже встроены в некоторые серии интегральных датчиков температуры.
Датчики температуры NSC можно разделить на пять групп:
- датчики температуры с аналоговым выходом;
- датчики температуры с цифровым выходом;
- термостаты;
- датчики температуры с выносным диодом;
- датчики температуры с функциями управления.
Интегральные датчики температуры с аналоговым выходом имеют линейный характер функции выходного напряжения от температуры, причем зависимость может быть как прямая, так и обратная, соответственно знак чувствительности у этих групп разный.
Рассмотрим теперь несколько характерных представителей датчиков температуры от NSC более подробно.
Датчики температуры с выходом по напряжению могут иметь различную градуировку - по шкале Кельвина либо по шкале Цельсия. Датчики LM135, LM235, LM335 имеют выходное напряжение пропорциональное абсолютной температуре с номинальным значением температурного коэффициента составляющим 10 мВ/°К. При этом номинальное выходное напряжение при 0°С составляет 2,73 В, и 3,73 В при 100°С. Обычно эти датчики включаются по схеме, представленной на рисунке 1. Третий вывод позволяет осуществлять подстройку точности, для этого используется подстроечный резистор. Температурная погрешность датчика LM135 без использования подстроечного резистора в диапазоне температур измерения -55...150°С составляет ±2,7°С, а с внешним подстроечным резистором уменьшается до ±1°С в рамках всего рабочего диапазона.
Рис. 2. Типовая схема включения датчика LM50, имеющего смещение выходного напряжения
Датчики LM35 и LM45 имеют выходное напряжение, пропорциональное шкале Цельсия (Кт = 10 мВ/°С). При температуре 25°C эти датчики имеют на выходе напряжение 250 мВ, а при 100°С на выходе - 1,0 В. Эти датчики могут применяться и для измерения отрицательных температур. Для этого используется согласующий резистор, который включается между выходным выводом и напряжением «ниже земли». Датчик LM50 является «однополярным», потому что он, в отличие от LM35 и LM45, может измерять отрицательные температуры без использования смещения. Этот датчик имеет чувствительность 10 мВ/°С и смещение на выходе 500 мВ (см. рис. 2). Таким образом, на выходе будет 500 мВ при 0°С, 100 мВ при -40°С и 1,5 В при 100°С.
Датчик LM60 похож на предыдущую рассмотренную модель LM50, но предназначен для применения в схемах с батарейным питанием порядка 2,7 В. Значение тока утечки 110 мкА достаточно мало, что делает его привлекательным для использования в подобных задачах. Чувствительность этого датчика составляет 6,25 мВ/°С, а смещение выходного напряжения - 424 мВ. В результате выходное напряжение при 0°С составляет 424 мВ, 174 мВ при -40°С и 1,049 В при 100°С.
Необходимо отметить, что в линейке есть датчики и с токовым выходом. Несмотря на то, что в оригинальной технической документации LM134/LM234/LM334 называется регулируемым источником тока, это датчик температуры с токовым выходом, пропорциональным абсолютной температуре. Чувствительность данного датчика задается одним внешним резистором Rуст. в пределах от 1 до 3 мкА/°С (см. рис. 3). Типичная величина чувствительности составляет 1мкА/°С. Подстройка чувствительности может улучшить точность измерения во всем рабочем диапазоне температур. Напряжение питания данных датчиков может варьироваться от 1 до 40 В.
Рис. 3. Типовая схема включения датчика LM134
Параметры датчиков температуры с аналоговым выходом можно сравнить в сводной таблице 1.
Таблица 1. Датчики температуры с аналоговым выходом| Наиме- нование | Температур- ный диапа- зон, °C | Точ- ность, ±°C | Чувстви- тельность, мВ/°C | UПИТ, В | IПИТ, мкА | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LM20B | -55...130 | 2,5 | -11,7 | 2,4...5,5 | 10,0 | SC70-5 |
| LM20S | -40...125 | 3,5 | -11,7 | 2,4...5,5 | 10,0 | Micro SMD-4 |
| LM34A | -50...300°F | 2,0°F | 10,0 мВ/°F | 5,0...30,0 | 163,0 | TO46-3 |
| LM34D | -32...212°F | 4,0°F | 10,0 мВ/°F | 5,0...30,0 | 159,0 | SO-8, TO46-3, TO92-3 |
| LM35A | -55...150 | 1,0 | 10,0 | 4,0...30,0 | 105,0 | TO46-3 |
| LM35CA | -40...100 | 1,0 | 10,0 | 4,0...30,0 | 91,0 | TO46-3, TO92-3 |
| LM45B | -20...100 | 2,0 | 10,0 | 4,0...10,0 | 160,0 | SOT23-3 |
| LM50B | -25...100 | 2,0 | 10,0 | 4,5...10,0 | 180,0 | SOT23-3 |
| LM60B | -25...125 | 3,0 | 6,25 | 2,7...10,0 | 125,0 | SOT23-3, TO92-3 |
| LM61B | -25...85 | 3,0 | 10,0 | 2,7...10,0 | 155,0 | SOT23-3, TO92-3 |
| LM62B | 0...90 | +2,5/-2,0 | 15,6 | 2,7...10,0 | 165,0 | SOT23-3 |
| LM135 | -55...150 | 2,0 | 10,0 | - | >400,0 | TO46-3 |
| LM235 | -40...125 | 2,0 | 10,0 | - | >400,0 | TO46-3 |
| LM335 | -40...100 | 4,0 | 10,0 | - | >400,0 | SO-8, TO46-3, TO92-3 |
| LM94021 | -50...150 | 1,5 | -5,5...-13,6 регул | 1,5...5,5 | 9,0 | SC70-5 |
Вторая группа датчиков в классификации - это датчики температуры с цифровым выходом. Основные технические параметры датчиков этих серий сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Датчики температуры с Цифровым выходом| Наиме- нова- ние | Диапа- зон измеря- емых темпе- ратур, °C | Точ- ность изме- рения во всем диапа- зоне Темпе- ратур; °C | Раз- реше- ние, бит** | Раз- реше- ние, °C | Uпит, В | Iпит, мкА | Ре- жим энер- го- сбе- ре- же- ния | Тип корпуса | Интерфейс |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LM71 | -40...150 | +3,5/-2 | 14 | 0,03125 | 2,65...5,5 | 300 | - | LLP-6 SOT23-5 | SPI MICROWIRE |
| LM74 | -55...150 | ±3 | 13 | 0,0625 | 2,65...5,5 | 265 | + | SO-8 Micro SMD-4 | SPI MICROWIRE |
| LM76 | -55...150 | ±1* | 13 | 0,0625 | 3,0...5,5 | 250 | + | SOP-8 | I2C |
| LM92 | -55...150 | ±1,5* | 13 | 0,0625 | 2,7...5,5 | 350 | + | SOP-8 | I2C |
| LM95071 | -40...150 | ±2 | 14 | 0,03125 | 2,4...5,5 | 280 | + | SOT23-5 | SPI MICROWIRE |
**- включая биь знака температуры
Рассмотрим функциональный состав датчика этой группы на примере LM75. В состав входит непосредственно сам термочувствительный элемент, дельта-сигма АЦП, двухпроводной цифровой последовательный интерфейс I2C и регистры управления работой (см. рис. 4). Температура измеряется постоянно, и может быть считана в любой момент времени. Существует возможность использования LM75 в качестве монитора температуры, который следит за ее изменениями и при выходе значения температуры за установленный предел, выдает логический сигнал на выходе - высокий или низкий уровень (знак можно задать). Таким образом, LM75 может являться ядром при построении системы управления температурой. Данные представляются 9-битным словом, из них один бит отводится на знак. Таким образом, разрешающая способность составляет 0,5°С. Погрешность данного датчика в диапазоне температур -25...100°С составляет ±2°С, а в диапазоне -55...125°С составляет ±3°С.
Рис. 4. Схема электрическая функциональная датчика LM75
Таблица 3. Интегральные термостаты с заводскими установками температуры срабатывания| Наименование | Темпе- ратура срабаты- вания, °C | Диапазон рабочих темпера- тур, °C | Точ- ность, ±°C | Чувст- витель- ность, мВ/°C | UПИТ, В | IПИТ, мкА | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LM26CIM5-PHA | 50 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM26CIM5-SHA | 70 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM26CIM5-TPA | 85 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM26CIM5-VPA | 95 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM26CIM5-XPA | 105 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM26CIM5-YPA | 115 | -55...125 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
| LM27CIM5-1HJ | 130 | -40...150 | 3,0 | -10,82 | 2,7...5,5 | 40,0 | SOT23-5 |
Следующую группу датчиков температуры составляют интегральные термостаты (таблица 3). Эта группа представлена четырьмя сериями: LM26, LM27, LM56 и LM66. Эти серии, кроме LM56, имеют заводские установки - величину пороговой температуры, по достижении которой выходной сигнал меняет свое логическое состояние. Рассмотрим подробнее работу термостата LM56 (см. таблицу 4), который позволяет задавать температуру срабатывания. Этот термостат содержит термосенсор (так же, как LM60), источник опорного напряжения 1,25 В и два компаратора с предустановленным температурным гистерезисом. Встроенный стабилизатор напряжения обеспечивает работу этого термостата в диапазоне от 2,7 до 10 В. Потребляемый ток составляет менее 200 мкА, поэтому данный термостат относится к разряду малопотребляющих. Внутренний термосенсор дает на выходе 6,2 мВ на градус. Смещение выходного напряжения составляет 395 мВ. Три внешних резистора задают уровни для двух компараторов (см. рисунок 5).
Таблица 4. Термостаты с возможностью установки 2 контролируемых температур с помощью 3 внешних резисторов| Наимено- вание | Темпера- тура срабаты- вания, °C | Диапазон рабочих темпера- тур, °C | Точ- ность, ±°C | Чувст- витель- ность, мВ/°C | UПИТ, В | IПИТ, мкА | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LM56C | -40...125 | -40...125 | 3,0 | 6,2 | 2,7...10,0 | 200,0 | SOIC-8, MSOP-8 |
Соответствие выходных напряжений, поясняющее принцип работы, представлено на рисунке 6.
Рис. 6. Диаграмма выходных напряжений LM56
Таблица 5. Внешний вид корпусов термодатчиков| Micro SMD-4 | SC70-5 | SOT23-3 | TO92-3 | TO46-3 | SO-8 |
|---|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |  |
На сайте производителя содержится большое количество полезной для разработчиков информации. Это и подробная техническая документация - «datasheets», и документы по применению, и даже теоретическая часть. Также на сайте имеется свободная он-лайн система эмуляции электрических схем WEBENCH.
| Ваш комментарий к статье | ||||
