CC BY
222Компоненты и технологии, № 3'2005
Интегральные датчики температуры
фирмы National Semiconductor
Интегральные датчики температуры (ИДТ) являются неотъемлемой частью практически любого современного электронного устройства. С одной стороны, это связано с необходимостью обеспечения требуемых характеристик аппаратуры в широком диапазоне температур, а с другой — с проблемой обеспечения оптимального теплового режима элементов и защиты их от перегрева. Отличительной особенностью ИДТ по сравнению с традиционными термодатчиками (термисторами, термопарами и др.) является сравнительная простота их использования — они не требуют линеаризации и компенсации холодного спая, что делает весьма целесообразным их применение во всевозможных термометрах и терморегуляторах.
Последнее поколение ИДТ со специализированными цифровыми интерфейсами, так называемые интеллектуальные ИДТ (Smart Temperature Sensor), широко применяются для стабилизации тепловых режимов вычислительных систем, измерительной аппаратуры и в технике радиосвязи. Фирма National Semiconductor (www.national.com) — один из ведущих мировых производителей интегральных датчиков температуры различных типов [1], которые в огромных количествах используются в различных изделиях электронной техники, выпускаемых в разных странах, в том числе и в России.
Геннадий Штрапенин, к. ф.-м. н.
Фі
впи
изическая основа работы ИДТ заложена в температурной зависимости падения напряжения на прямо смещенном кремниевом р-п-переходе, которая выражается хорошо известной формулой
и = (кТ/я)х1п(1/Ц,
где и — напряжение на переходе, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, д — заряд электрона, I — ток через переход, 15 — обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигурации и температуры перехода. Отметим, однако, что вышеприведенную зависимость непосредственно использовать для точного измерения температуры нельзя по двум причинам. Во-первых, существует значительный разброс «начального» прямого падения напряжения на переходе, связанный с технологией его изготовления, а во-вторых, существенный вклад в зависимость и(Т) вносит температурная зависимость 18. В связи с этим для измерения температуры в ИДТ используют разность напряжений двух р-п-переходов, а точнее, напряжений база-эмиттер ДиВЕ двух транзисторов УТ1 и УТ2, которая может быть определена из выражения
ДиВЕ = иВЕ1 - иВЕ2 = (кТ/д)х1п(^Е1/1Е2),
где 1Е1 и 1Е2 — плотность тока эмиттеров транзисторов. Эффекты, связанные с током насыщения и начальным падением напряжения на р-п-переходах при этом компенсируются, и температурная зависимость становится линейной с высокой точностью. В реальных устройствах используют транзисторы с разными площадями эмиттерных переходов, что обеспе-
чивает заданное соотношение плотностей тока эмиттеров, или набор одинаковых транзисторов, соединенных параллельно, — так называемую ячейку Брока (Brokaw Cell) [2]. Практическая схема измерения температуры с температурным коэффициентом выходного напряжения 10 мВ/°К приведена на рис. 1. Требуемое значение коэффициента достигается определенным соотношением сопротивлений резисторов 26R и 23R. Резистор 100R, используется для точной калибровки датчика. Данная схема применяется в популярных микросхемах ИДТ LM135 — LM335 (отечественный аналог К1019ЕМ1), которые будут подробно рассмотрены ниже.
46
www.finestreet.ru
Компоненты и технологии, № 3'2005
Дальнейшее совершенствование интегральных датчиков температуры было направлено на повышение линейности и точности измерений. Появились также специализированные микросхемы — контроллеры для работы с удаленными термочувствительными элементами (диодами или транзисторами), которые могут располагаться непосредственно в контролируемом устройстве, например микропроцессоре. В этом случае микросхема-контроллер проводит поочередное измерение выходных напряжений сенсора при двух заданных значениях тока, а затем расчет разности этих напряжений и температуры согласно приведенным формулам.
Максимальный диапазон температур, перекрываемый интегральными полупроводниковыми датчиками, составляет от -60 до +200 °С, минимальная погрешность измерений зависит от диапазона измеряемых температур и может составлять менее десятых долей градуса. Следует отметить, что точность измерения температуры зависит от типа корпуса датчика, его конструктивного выполнения и размещения в системе. На результаты измерений влияет также собственное тепловыделение ИДТ, определяемое приложенным к нему напряжением и потребляемым током.
Перейдем теперь к рассмотрению доступных интегральных термодатчиков National Semiconductor (табл. 1). Выпускаемые в настоящее время приборы можно условно разделить на две группы. Первая их них—датчики с аналоговым выходом, величина напряжения на котором пропорциональна измеряемой температуре в градусах Кельвина или Цельсия (в последнем случае для корректного отсчета отрицательной температуры требуется двухполярное питание ИДТ или к выходному напряжению датчика, пропорциональному измеряемой температуре, прибавляется некоторое постоянное число). Вторая группа — ИДТ с цифровым выходом, в простейшем варианте это может быть выход одно- или двухпорогового компаратора, переключающегося, когда измеренная величина температуры выходит из области заданных значений. Датчики такого типа широко используются в различных термостатирующих устройствах. Цифровой выход большинства современных ИДТ выполняется в виде последовательного интерфейса, наиболее распространены двухпроводной I2C и трехпроводные SPI и MICROWARE. Соответствующее программное обеспечение, необходимое для работы таких датчиков, имеется на сайте фирмы.
Мы начнем рассмотрение с прецизионных датчиков температуры в градусах Кельвина с аналоговым выходом LM135, LM235 и LM335. Особенность данных приборов — двухпроводное включение по схеме, аналогичной стабилитрону. Типовое решение для использования ИДТ LM135/235/335 приведено на рис. 2а. При величине тока через датчик от 0,4 до 5 мА, задаваемой внешним резистором R1, выходное напряжение с высокой точностью равно 10x°K мВ. При необходимости возможна точная калибровка датчика, для этого используются третий вывод и внешний подстроечный резистор, как показано на рис. 2б. При температуре 25 °С им выставляется выходное напряжение датчика 2,982 В. ИДТ LM135/235/335 выпуска----------------------www.finestreet.ru -
Таблица. Основные параметры интегральных датчиков температуры National Semiconductor
Тип Диапазон темпе- ратур Тип Температурный коэффициент Дискрет- ность Напря- жение питания Потреб- ляемый ток Погреш- ность Примечание
С мВ/°С °С В мА °С
мин макс тип тип мин макс макс тип
М1З5 -55 + 150 Аналоговый 10,0 шунт 5,0 І1; І1,5 Прецизионный, Цвых, мВ = 10 -°К
М2З5 -40 + 125 Аналоговый 10,0 шунт 5,0 і1; і1,5 То же
ШЗ5 -40 + 100 Аналоговый 10,0 шунт 5,0 і1; і2 То же
LM35 -55 + 150 Аналоговый 10,0 4,0 З0 0,1З і1; і2 Прецизионный, Цвых, мВ = 10 -°С
LM45 -20 + 100 Аналоговый 10,0 4,0 10 0,16 ІЗ,5; І4 То же
LM50 -40 + 125 Аналоговый 10,0 4,5 10 0,18 ІЗ; І4 Однопол. питание, Цвых, мВ = 10 -°С + 500
LM60 -40 + 125 Аналоговый 6,25 2,7 10 0,12 ІЗ; І4 Однопол. питание, Цвых, мВ = 6,25 -°С + 424
LM62 0 +90 Аналоговый 15,6 2,7 10 0,16 і2 Однопол. питание, Цвых, мВ = 15,6 -°С + 480
LM20 -55 + 1З0 Аналоговый -11,7 2,4 5,5 0,01 і2,5; і5 Микромощный, Цвых, мВ = -11,7 -°С + 1864
LM56 -40 + 125 Компаратор 6,2 2,7 10 0,2З ІЗ; І4 Прецизионный термостат с двумя выходами
LM70 -55 + 150 Цифровой 0,25 2,7 5,5 0,49 і2 10-Віі+знак, интерфейс ЗРІ/МООМАІкЕ
LM74 -55 + 150 Цифровой 0,0625 З,0 5,5 1,0 і1,25 12-Віі+знак, интерфейс ЗРІ/МООМАІкЕ
LM75 -55 + 125 Цифровой 0,5 З,0 5,5 0,25 ІЗ 10-Вії, интерфейс І2С, сигнал Оуегїетрег
LM76 -55 + 150 Цифровой 0,0625 З,0 5,5 0,50 І1 12-Віі+знак, Интерфейс І2С, сигналы Оуегїетрег и ОуеМіп
LM77 -55 + 125 Цифровой 0,5 З,0 5,5 1,0 ІЗ То же, 9-ВіІ+знак
ются с обычной и повышенной точностью (ЬМ135А/235А/335А) в герметичных транзисторных корпусах ТО-46 (ЬМ135И/235И/335Н и ЬМ135ЛН/235ЛН/ 335АН), а ЬМ335 — также в пластмассовом корпусе ТО-92 (ЬМ3352 и ЬМ335А2) и 8О-8 для поверхностного монтажа (ЬМ335М).
Трехвыводные прецизионные интегральные датчики температуры в градусах Цельсия с аналоговым выходом ЬМ35 и ЬМ45 не требуют калибровки и работают в широком диапазоне питающих напряжений. Типовая схема включения ИДТ ЬМ35 для измерения положительных температур приведена на рис. 3а, а для всего диапазона температур — на рис. 3б. Небольшая величина потребляемого тока (реально 60 мкА) уменьшает погрешность измерений из-за са-моразогрева датчика. ИДТ ЬМ35 выпускаются в различных модификациях по диапазону температур: от -55 до +150 °С (ЬМ35, ЬМ35А), от -40 до +110 °С (ЬМ35С, ЬМ35СА) и от 0 до +100 °С (LM35D); точности: 1 °С (ЬМ35А и LM35CA), 2 °С ^М35 LM35C, LM35D); и в четырех типах корпусов: ТО-46 ^М35Н, LM35AH, LM35CH, LM35CAH и LM35DH), ТО-92 ^М35С2, LM35CAZ и LM35DZ), Т0-220 (LM35DT) и вО-8 (LM35DM). Точность датчика LM45B составляет 3 °С, а LM45C — 4 °С в диапазоне температур от -20 до +100 °С. Эти термодатчики выпускаются в корпусе 8ОТ-23.
Аналогичные параметры имеет и интегральный термодатчик LM50, отличительная особенность которого — смещение выходного напря-
жения на +500 мВ, что дает возможность обойтись однополярным питанием во всем диапазоне измеряемых температур. LM50 выпускается в двух модификациях: LM50B — диапазон измеряемых температур от -25 до +100 °С, точность измерений 3 °С; и LM50С — от -40 до +125 °С, 4 °С соответственно.
ИДТ LM60 и LM62 работают при напряжении питания от 2,7 В. Благодаря малому потреблению тока погрешность измерения температуры из-за саморазогрева не превышает
0,2 °С в воздухе. LM60 выпускается в корпусах вОТ-23 и ТО-92, а LM60 — только вОТ-23.
Микромощные миниатюрные термодатчики LM20 изготавливаются по технологии КМОП, и хотя температурная зависимость выходного напряжения для этих приборов имеет небольшую параболическую составляющую, максимальная погрешность измерений во всем диапазоне измеряемых температур от -55 до +130 °С для ИДТ модификации LM20B не превышает ±2,5 °С, а для LM20C — ±5 °С. В отличие от рассмотренных выше датчиков, выполненных по биполярной технологии, у LM20 температурный коэффициент отрицательный. В диапазоне температур от -40 до +85 °С выходное напряжение и описывается линейной функцией температуры и имеет вид
и = -11,67 мВ/°С X Т + 1,8583 В
с погрешностью не более ±0,65 °С. Для расчетов во всем температурном диапазоне для со-
+Еп 4+30 В
+Еп
LM35
► Увых = (10хвС)мВ LM35
11вых
»—►
т
Rl = -j
R1
50мкА ~Ес
а) б)
Рис. 3. Типовая схема включения интегральных датчиков температуры Цельсия 1.М35/45
а) для положительных температур
б) для всего диапазона температур
Компоненты и технологии, № 3'2005
+3,0 В
VT1=1,25 Bx
R1
R1+R2+R3'
R1
то=і,25вх^;
где Rl +R2+R3 = 27кОм;
УТ1 или УТ2 = (6,20 мВ/‘СхТ]+395 мВ; следовательно Rl = УТ1 /1,25 В х 27 Юм R2 = УТ2/1,25 В х 27 кОм - Rl R3 = 27 кОм - Р1 - Р2
Рис. 5. Типовая схема включения І.М56 в режиме двухпорогового термостата
хранения минимальной погрешности в коэффициенты следует вносить поправки.
Благодаря сверхмалому потреблению тока (максимально 10 мкА), LM20 прекрасно подходят для использования в устройствах с батарейным питанием, отметим также, что саморазогрев термодатчика в воздухе не превышает 0,02 °C. Выпускаются в корпусах SC-70-5 и micro SMD.
Интегральный датчик температуры LM56 предназначен для использования в термостатах. Функциональная схема ИДТ LM56 и графики, поясняющие особенности его функционирования, представлены на рис. 4.
Используя внешние резисторы и внутренний источник опорного напряжения 1,250 В, на контактах 3 и 2 задают пороговые напряжения переключения компараторов VT1 и VT2, соответствующие заданным температурам Т1 и Т2. В результате на выходе 1 (OUT1 — контакт 7) формируется напряжение низкого уровня, если температура превысит значение Т1, и, соответственно, напряжение высокого уровня, если температура упадет ниже значения Т1 - ТЬ-st ^hyst я 5 °C). Аналогично по отношению к температуре Т2 формируется сигнал на выходе 2 (OUT2 — контакт 8). Напряжение на выходе микросхемы VTEMP (контакт 5) пропорционально температуре в градусах Цельсия с коэффициентом 6,2 мВ/^ и смещено на +395 мВ, погрешность измерения температуры во всем диапазоне не превышает 3 °C для модификации LM56BIM и 4 °C для LM56CIM. Типовая схема включения ИДТLM56 и формулы для расчета сопротивления резисторов R1 — R3, задающих величины пороговых температур,
приведены на рис. 5. Отметим, что максимальный ток коллекторов выходных транзисторов составляет всего 50 мкА, что требует подключения к ним достаточно высокоомной нагрузки. LM56 выпускаются в обычных и мини-корпусах SO-8.
Перейдем теперь к рассмотрению интегральных датчиков температуры с цифровым выходом. ИДТ LM70 и LM74 представляют семейство цифровых термодатчиков с последовательным интерфейсом, совместимым с протоколами Motorola SPI и National Semiconductor MICROWARE. Функциональная схема LM70 приведена на рис. 6, LM74 отличается от него 13-битным АЦП. LM70/74 функционируют как ведомые устройства, полный цикл приема-передачи данных занимает 32 такта сигнала SC, из которых первые 16 отводятся передаче данных на контроллер, а вторые — приему. Управление работой датчика производится путем записи данных в конфигурационный регистр, для идентификации ИДТ и считывания результатов измерений служат регистр идентификации и температурный регистр, работающие в режиме чтения.
LM70/74 аппаратно совместимы практически с любыми микроконтроллерами, программирование которых в этом случае не составляет большого труда. Для экономии энергии в интервале между измерениями имеется возможность перевода ИДТ в режим shutdown с током потребления менее 10 мкА, что может быть очень полезно в устройствах с автономным питанием. Существует два варианта микросхем по напряжению питания: LM70/74-3 — 2,65-3,6 В, LM70/74-5 — 4,5-5,5 В. LM70 выпускаются в корпусах с 8 выводами MSOP и LLP, а LM74 — SO-8 и 5-выводном microSMD.
Цифровые ИДТ LM75-LM77 имеют последовательный двухпроводной интерфейс по протоколу Philips I2C, а также дополнительные цифровые выходы, изменяющие свое состояние, когда температура превышает заданное значение (OverTemper) или выходит из заданных пределов (OverWin). Последние выполнены с открытым стоком и могут использоваться для построения термостатов, сигнализаторов превышения температуры, а также для работы микроконтроллера по прерыванию. Функциональная схема LM76 приведена на рис. 7. ИДТ функционируют как ведомые устройства, имеется развитая система внутренних регистров для установки режимов работы и параметров выходных сигналов. Для облегчения программирования термодатчиков на сайте фирмы свободно предлагается соответствующее программное обеспечение. В интервале между измерениями имеется возможность перевода ИДТ в режим shutdown с током потребления не более 8 мкА. LM75/6/7 выпускаются в 3- и 5-воль-товой модификации в корпусах с 8 выводами SO и MSOP.
Последнее поколение цифровых ИДТ, разработанных фирмой National Semiconductor, как уже отмечалось выше, кроме измерения локальной (собственной) температуры позволяет подключать удаленные термодатчики, в качестве которых может использоваться диод или транзистор в диодном включении, например 2N3904, а также сенсор, встроенный в микропроцессор. Семейство LM82/83/84/86/ 88/90/91 (в таблице не показаны) цифровых ИДТ такого типа с последовательным двухпроводным интерфейсом SMBus позволяют под- www.finestreet.ru---------------------
Компоненты и технологии, № 3'2005
ключать от одного до трех удаленных датчиков и обеспечивают точность измерения температуры от 1 до 3 °С в диапазоне от 0 до +125 °С. Выпускаются в 8-выводных корпусах 8О и М8ОР (LM86 и LM90) и 16-выводном QS0P.
Для корректной работы аппаратных средств современных компьютеров необходим постоянный мониторинг напряжений питания и температуры микропроцессора, и, если эти параметры выходят за предел допустимых значений, функционирование системы следует прекратить. Для контроля температуры многие современные микропроцессоры, в частности РеПшш и др., снабжены расположенным непосредственно на кристалле специальным р-п-р-транзистором, коллектор которого соединен с подложкой, а база и эмиттер выведены на
основной разъем процессора. Измерение температуры и напряжений питания, а также управление вентилятором охлаждения, выдачу в случае необходимости аварийных сигналов и блокировку работы системы производят специализированные контроллеры — системные мониторы (System Hardware Monitors).
Фирма National Semiconductor выпускает семейство системных мониторов LM80/81/85/87 с последовательным двухпроводным интерфейсом SMBus в 24-выводных корпусах TSSOP. В частности, системный монитор LM85 контролирует четыре основные напряжения питания процессора (2,5, 3,3, 5,0 и 12 В), имеет встроенный термодатчик и позволяет подключать два удаленных, сигналы с которых оцифровываются 8-разрядным АЦП, что поз-
воляет измерять температуру в диапазоне от 0 до +125 °C с разрешением 1 °C. В состав монитора входит также система контроля данных от четырех тахометрических датчиков вентиляторов и три формирователя ШИМ-на-пряжений для управления их работой. Пять цифровых входов VID — сигналов идентификации от процессора — позволяют устанавливать определенные режимы работы монитора для различных ситуаций. Другие системные мониторы семейства имеют ряд дополнительных аналоговых и цифровых входов и выходов — сигналов прерывания, аварийного сброса процессора, вскрытия шасси и др.
В заключение следует отметить, что ИДТ с цифровым интерфейсом, используемые для контроля температуры микропроцессоров и других микросхем, обычно устанавливают прямо на материнских платах. Однако, как показывают эксперименты, теплопередача к термосенсору осуществляется в основном не через корпус микросхемы датчика, а через его выводы, поэтому фактически измеряется приповерхностная температура участка материнской платы и печатных проводников, и таким образом может возникнуть систематическая ошибка измерения температуры, которую следует определить и учитывать в каждом конкретном случае. МИ
Литература
1. Linear/Mixed-Signal Designer's Guide Summer 2002. National Semiconductor. 2002.
2. Kester W., Briant J., Jung W.. Practical Design Techniques For Sensor Signal Conditioning. Chap. 7. Перевод в журнале «Схемотехника». 2000. № 3.
www.finestreet.ru
49
