Интегрални сензори за температура

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2009

Температурата е една от най-често измерваните физични величини, като сред многобройните причини за това е необходимостта нейната стойност във вътрешността на интегрални схеми, модули и апаратури да се подържа в определени граници. Не по-малко важни са аналогичните изисквания към температурата на електродвигатели и индустриални машини, както и подържането й неизменна в затворени големи обеми (хладилници, фризери, специфични производствени помещения). Точността на измерване с други сензори (за налягане, положение, поток, ниво) също е свързана със следене на тяхната температура. Понастоящем динамично се развиват приложенията на интегралните температурни сензори, които освен добри параметри имат малки размери и дълъг експлоатационен срок. В статията се описват техните видове, действие и приложения и се дават таблични данни за характерни техни представители.

Области на приложение
Подчертана тенденция в създаването на електронни устройства е намаляването на размерите им, което означава по-малко свободно пространство във вътрешността и затруднено движение на въздуха. Създават се условия за прегряване в определени зони с произтичащите от това опасности от скъсяване на експлоатационния срок, влошаване на параметрите и повреда. От друга страна, възможностите на електронните устройства се разширяват, увеличава се бързодействието и нараства изходната им мощност. Независимо от сериозните технологични постижения, това често води до увеличаване на разсейваната мощност и нагряването. Стремежът към малко тегло и цена ограничава поставянето на големи и скъпи радиатори и те все по-често се заместват с включващи се само при необходимост вентилатори за локално охлаждане. Всичко това налага непрекъснато измерване на температурата в критичните места, подържането й в допустимите граници и евентуално автоматично изключване на апаратурата при надхвърляне на определена стойност. Не са редки и случаите, когато измерваните стойности на температурата трябва да се съхраняват или изпращат на разстояние.
Най-ефективно тези възможности се осигуряват чрез интегралните сензори за температура (Integrated Temperature Sensor), често наричани “интелигентни” сензори (Smart Temperature Sensor). В рамките на една ИС те съдържат чувствителен към температурата полупроводников елемент и електроника, необходима за осъществяване на описаните функции. Тъй като температурата на ИС практически е равна на измерваната тя неизбежно води до промени в параметрите на електрониката и грешка в измерването, прибавяща се към тази на полупроводниковия елемент.

Аналогови сензори
Те превръщат температурата в аналогова величина, която в съвременните им разновидности почти винаги е напрежение. Това определя наименованието сензори за температура с напрежителен изход (Voltage Output Temperature Sensor). Действието им се основава на температурната зависимост на напрежението върху отпушен p-n преход (използва се емитерният преход на p-n-p биполярен транзистор), която следва от основното равенство VBE = (kT/q)ln(IF/Is). В него k и q са константи, Т е температурата му в келвини, IF е токът през прехода и Is е неговият ток на насищане, дължащ се на наличието на неосновни токови носители в двата му полупроводника.
За да зависи VВЕ само от температурата токът IF трябва да има неизменна стойност, задавана от генератор на ток. Освен това Is не само има големи производствени толеранси, но зависи силно от температурата, което при непосредствено използване на VВЕ може да доведе до грешка в измерването няколко десетки градуса. За намаляването й може се работи с два прехода с еднаква площ и N-пъти (обикновено N=10) различаващ се ток или с еднакъв ток, но площта на единия да е 10 пъти по-голяма. И в двата случая разликата DVBE в напреженията им вече не зависи от Is, равна е на (kT/q)lnN и представлява напрежение, пропорционално на абсолютната температура (Voltage Proportional to Absolute Temperature) с означение VРТАТ. Неговата  линейна зависимост от температурата е едно от основните предимства на интегралните сензори.
Възможно е използването и на един преход, но непрекъснато превключван към два генератора с N-пъти различаващ се ток, което обикновено се прави при разполагането му на разстояние от обработващата електронна схема. В интегралните сензори VРТАТ се получава в частта на ИС, наречена band gap core (BGC) и грешката при определяне на температурата чрез използването му е по-малка с около един порядък в сравнение с единичен преход.
Основната структура на сензор е дадена на фиг. 1 и тя съдържа споменатите генератор на ток и BGC. Напрежението DVBE от последния се усилва от Amp, в който от него се изважда постоянно напрежение V0°С, което реално е изходното напрежение на BGC при температура 0°С. Резултатът е зависимостта t[°C] = (VOUT - V0°С)/TC на измерваната температура от изходното напрежение VOUT, в която ТС също е параметър на сензорите, наречен температурен коефициент (Temperature Coefficient). Неговото измерение mV/°С показва с колко mV се променя VOUT при изменение на температурата с 1°С, а големината му се определя от коефициента на усилване на усилвателя. Понякога ТС е с измерение ррm/°С, като 1000 ppm/°С = 1 mV/°С. Сравнително по-рядко вместо V0°С в каталозите се дава напрежението VВ при температура tB. В този случай температурата, съответстваща на напрежение VOUT, е t[°C] = (VOUT - VВ)/ TC + tB.
Често в каталозите се дава графиката VOUT(t°), пример за която e фиг. 2. - за сензор с положителен ТС (VOUT нараства с температурата).  От нея може да се определи работният температурен обхват (в случая от -40 до +125°С) и напрежението V0°С (в случая 500 mV). Виждат се и границите на изменение на VOUT – от 100 mV до 1,75 V. Графиките позволяват и изчисляване на ТС - например при промяна на температурата от 0 до 125°С напрежението VOUT нараства от 500 на 1750 mV и следователно ТС = +10 mV/°С.
Както при всеки сензор и тук сред основните параметри е точността, която представлява относителната грешка на преобразуване с типични стойности между ±1% и ±4%. Последната обикновено нараства в краищата на температурния обхват, поради което в каталозите често се дават няколко стойности за точността за различен температурен обхват. Характерната зависимост на точността от температурата е дадена с крива “Sensor Accuracy” на фиг. 3. Чрез експериментални изследвания на грешката на достатъчно количество сензори от даден тип се получава неговата типична крива на грешката и от нея се определя полином за определяне на връзката й с температурата. Той може да се използва в алгоритъм за компенсация на грешката, записван в микроконтролер. Например графиката за точността на фиг. 3 е на сензора МСР9700 на Microchip, а чрез разработения алгоритъм за компенсация в микроконтролер се получава типичната графика "Compensated Sensor Accuracy". Реалната максимална грешка в този случай не надхвърля 0,3%. Полезно за практиката е статистическото разпределение на грешката, което се дава от някои производители за определена температура.
В процеса на работата си всяка ИС консумира мощност VSIS, която я нагрява. Тя не би трябвало да влияе на работата на сензорите, поради което параметър е самонагряването (Self-Heating) с типични стойности до 0,1°С. Той показва с колко температурата на ИС и съответно измервана е по-голяма от действителната околна температура. Малките стойности се дължат на неголямото VS (обикновено до 5,5 V и рядко до 10 V) и нищожният работен ток IS, като и двете величини също са сред основните параметри.
Специфична особеност е наличието на минимално допустимо съпротивление на товара (на който се подава VOUT) или максималният ток през него. В голяма част от сензорите съпротивлението е между 100 kW и 5 MW, като при по-малки стойности се увеличава грешката на измерване. Има и сензори, които могат да работят със значителен капацитивен товар, например до 1 nF.
Подобно на други видове ИС сензорите за температура се произвеждат в серии, съдържащи 2-6 разновидности, предлагани от производителите като отделни ИС. Разликите между тях са в ТС и температурния обхват. Нерядко всеки интегрален сензор се предлага в два или три различни корпуса. Последните практически винаги са пластмасови, поради което предаването на топлината към полупроводниковата пластинка на сензора реално става през изводите им. Това означава, че се измерва температурата в мястото, където са запоени.
В таблица 1 са дадени характерни примери на сензори за температура с напрежителен изход. Особеност на сензора в ред 5 е наличието на допълнителен вход за задаване чрез логически сигнал на двете стойности на ТС.
Най-простата схема на свързване на тези температурни сензори е дадената на фиг. 4а, като кондензаторът CS (0,1 – 1 mF) се поставя само при наличие на пулсации или шумове в напрежението VS. Без кондензатор тези променливи напрежения водят да появата на допълнително постоянно напрежение в изхода на сензора, с което грешката на измерване нараства. Също с прекъсната линия е даден съществуващият в част от сензорите вход SHDN за включването и изключването им, понякога означаван с СЕ. Сензорите без такъв вход могат да се включват и изключват със схемата на фиг. 4б, в която VS и консумираният ток на сензора се осигуряват от инвертора. Когато изходното напрежение на сензора трябва да се предаде на разстояние в условията на значителни смущения, за намаляване на тяхното влияние успоредно на изхода се свързва кондензатор. Това налага използването на сензор, който може да работи с капацитивен товар.
В случаите, когато трябва да се следи температурата в няколко точки и да се определя средната й стойност се използва схемата на фиг. 4в (дадени са два сензора, но няма принципни ограничения за техния брой). Нейното изходно напрежение е Vout = -(RVOUT1/R1 + RVOUT2/R2), като тегловните коефициенти R/R1 и R/R2 се избират в зависимост от значението на всяка от температурите в средната стойност. Обикновено се работи с R1 = R2, т.е. еднакво влияние на двете температури. За определяне на разликата между две температури може да се използва схемата на фиг. 4г, като условието за еднакви съпротивления на резисторите R най-лесно се удовлетворява като те са част от резисторна матрица. Чрез резисторите RA се осигурява Vout = 0,5VS при равенство на двете температури. Съществуват и схеми за преобразуване на VOUT на сензора в ток за предаване по линия, каквито могат да бъдат намерени в каталога на ИС от ред 2 на табл. 1.
Характерни приложения на сензорите за температура с напрежителен изход са в токозахранващи блокове, зарядни устройства, компютри, мобилни устройства, климатични и отоплителни инсталации, приемопредаватели за безжични мрежи. Специфична, но важна област на приложение е в системи за автоматично подържане на параметрите на електронни устройства и системи при промяна на температурата им, например за постоянство на контраста на течнокристални дисплеи и на честотата на кварцови генератори.

Цифрови сензори с последователен изход
На своя изход те осигуряват правоъгълни импулси обикновено с някои от стандартните логически нива. Измерваната температура е линейна функция на отношението на продължителностите на импулса с високо логическо ниво ТН и този с ниско логическо ниво TL в съответствие с израза t°[C] = k1 – k2TH/TL, където константите k1 и k2 се дават в каталога на сензора. Това означава, че изходните импулси са с широчинноимпулсна модулация, което определя едно от наименованията PWM Temperature Sensor. В някои сензори неизменна е честотата на импулсите, а в други – продължителността ТН. Самата честота е между няколко Hz и няколко kHz. Основното им приложение за измерване на температура определя другото наименование Serial Digital Output Thermometer. Вместо напрежението V0°C тук като параметър се дава номиналното отношение на импулсите (Nominal Mark-Space Ratio) TH/TL или самите стойности на ТН и TL, също при температура 0°С. Някои производители използват и параметъра разделителна способност (Temperature Resolution), представляващ най-малката промяна на температурата, която може да бъде измерена. Измерването на ТН и TL и изчисляването на температурата се извършва чрез свързване на сензорите към микроконтролер или цифров сигнален процесор. Обикновено производителите на сензори дават в каталога им алгоритъм и програма за работа с конкретен вид контролер или процесор.
Неизбежните промени на честотата на импулсите поради външни влияния не влошават точността на измерването, което е предимство. Също предимства са шумоустойчивостта поради използването на правоъгълни импулси и наличието на един извод, които позволяват предаване на двупроводна линия (един от проводниците й е масата и той може да е общ за всички линии в кабела) на данните за температурата. Обикновено тези сензори се произвеждат по двойки с еднакви параметри и различаващи се само по изходното си стъпало – едното е отворен дрейн (Open Drain) или отворен колектор (Open Collector) – фиг. 5а, а другото е класически CMOS ключ (фиг. 5б), означаван в каталозите като Push-Pull и имащ CMOS/TTL съвместими логически нива. Първите са особено подходящи за галванично отделяне на сензора от линията чрез оптрон (фиг. 6а), докато вторите обикновено използват цифров драйвер (фиг. 6б) и могат да работят в линии с дължина до 1 - 1,5 km.
В табл. 2 са дадени основните параметри на 3 сензора от този тип, като ТМР03 е с отворен колектор, а други два са с изходното стъпало на фиг. 6б. Полезна особеност на ТСМ05 е наличието на вход CONV/IN за стартиране на измерването, което позволява каскадно свързване на повече сензори (Daisy Chain Structure), показано на фиг. 7.
Микроконтролерът дава стартов импулс на сензора TS1, той измерва температурата и на изхода му OUT се получават съответстващите импулси. Те са съпроводени с пусков импулс (продължителност 17 us) за следващия сензор, който след измерването на температурата прибавя своите импулси към тези на TS1. Така след n-тия сензор се получава серия от импулси, която съответства на температурата на всички сензори. Серията постъпва на входа на микроконтролера, който изчислява всички температури и ги записва в своите регистри.
Характерни приложения на цифровите сензори с последователен изход са за контрол на индустриални процеси и на околната среда, за измерване с налагащо се галванично разделяне, в компютри, отоплителни и климатични системи.

Аналогови ключове със задействане от температурата
Наименованието им (англ. Temperature Switch, Logic Output Temperature Sensor, Thermostat Output Temperature Sensor) показва, че те са предназначени да включват и/или изключват електрически товар при достигане на определена прагова температура (Trip Point) TSET. Поради това изходното им напрежение има две стойности – 0 и V1. Практически е задължително ключовете да са с хистерезис, тъй като при липсата му и достигане на TSET ще се получат многобройни включвания и изключвания. В зависимост от начина на задействане при промяна на температурата има два вида. Изходното напрежение на сензорите за нагряване (Hot Option, Overtemperature Switching, Active-Low) е V1 до TН (фиг. 8а), нулира се при нейното достигане и запазва стойността си при по-високи температури. Когато температурата намалее до TL се възстановява V1. Разликата TH – TL се нарича широчина на хистерезиса и има типични стойности между 2 и 10°С. Основните приложения на тези сензори са за управление на нагреватели. При сензорите за охлаждане (Cold Option, Undertemperature Switching, Active-High) напрежението VOUT е 0 до температура TH (фиг. 8б), при достигането й става равно на V1 и запазва тази си стойност при по-високи температури. Намаляването на температурата до TL възстановява нулевото VOUT, като тук хистерезисът има същите типични стойности. Този тип сензори се използват в системи за охлаждане. Наличието на хистерезис означава, че и двата вида подържат температурата между TL и TH, т.е. действат като термостати.
Производителите обикновено предлагат набор от 4 сензора с еднакви параметри – два за нагряване с изход отворен колектор и с CMOS ключ и два аналогични за охлаждане. За разширяване на приложенията често има възможност за програмиране на стойностите на TН и хистерезиса чрез външни резистори или по цифров път.
Принципът на действие на ключовете се изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 9. Тя съдържа компаратор СОМР и транзисторен ключ S с отворен дрейн в изхода си, като наличието на СОМР показва, че тези ключове са аналогови. На единия вход на СОМР от BGC се подава зависещото от температурата напрежение, а на другия постъпва напрежение от блока НС, чиято стойност твърде често се установява чрез външен резистор RSET между вход HSET и маса или чрез двоично число на него. Така НС определя желан праг на задействане на СОМР, т.е. стойността на температурата TH при сензорите за  нагряване и TL при тези за охлаждане. Широчината на хистерезиса може да се задава само в някои сензори, например чрез постоянно напрежение на извод HYSSET – най-често той се замасява или свързва към VS, т.е. хистерезисът има две стойности. Също с прекъсната линия е даден съществуващ понякога аналогов изход, на който има напрежение VTEMP, пропорционално на измерваната температура. Трябва да се има предвид, че съществуват и други схемни решения на сензора, но принципът остава същият.
В табл. 3 са дадени основните параметри на ключове със задействане от температурата. Особеност на този в ред 2 е възможността за свързване към него на външен диод (p-n-p транзистор, произведен специално за сензори) за измерване на температурата в място, отдалечено от сензора. Програмирането на ТН на сензора от ред 3 се прави чрез външен резистор.
За разлика от всички сензори в статията, този на ред 4 вместо BGC съдържа термистор с положителен температурен коефициент (РТС), свързан към източник на опорно напрежение. Предимството е, че вместо линейна зависимост има малко по-силна от квадратичната зависимост на съпротивлението от температурата (то е право пропорционално на степен 2,1312), с което се увеличава точността на фиксиране на праговата температура. Допълнителна особеност на сензора е поотделното програмиране чрез два външни резистора на температурите TL и TH (на фиг. 8), а действието му се изяснява чрез фиг. 10. Тя показва, че на изход Low Limit на сензора се получава напрежение при температура над долната граница, а на изход Нigh Limit – също напрежение, но при температура над горната граница. Когато температурата премине горната граница,  на третия извод Control се получава напрежение, което отпада, когато температурата слезе под долната граница. Това дава възможност този извод да се използва директно за управление на охлаждащ вентилатор или загряващ отоплител (в двете му  разновидности).
Сензорът от ред 5 има предимството на възможността му да работи в устройства със захранващо напрежение 1,8 V, но не се програмира от потребителя, а това се прави еднократно от производителя със стъпка 1°С. Подобен е сензорът от ред 6, но той има друга особеност – при надхвърляне на праговата температура изходното напрежение остава високо до намаляване на захранващото под определена стойност независимо от последващите промени на температурата. Сензорът в последния ред на таблицата също се програмира чрез външен резистор.
Вероятно най-масовото приложение на разглежданите ключове е за включване и изключване на вентилатор. Най-простата схема е дадена на фиг. 11а, като резисторът “разделя” значителния входен капацитет на транзистора от изхода на ключа. Схемата на фиг. 11б се използва за едновременно следене на температурата на няколко места със сензори за нагряване с отворен дрейн. Тя е известна като жично ИЛИ и подава ниско логическо ниво на микроконтролера mC още при задействане на първия ключ, чиято температура достигне праговата. Положителното захранващо напрежение трябва да съответства на високото логическо ниво на входа на mC и може да е по-малко от захранващото на ключовете. За броя n на последните няма принципни ограничения. Аналогичната схема за ключове със CMOS изходно стъпало изисква използването на n-входов логически елемент ИЛИ (фиг. 11в). Естествено, че схемата може да се комбинира със тази на фиг. 11а.
Основните приложения на ключовете са за реализиране на електронни термостати, подържащи постоянна температура в определен обем. Такъв може да е вътрешността на електронни апаратури (компютри, сървъри, управления на индустриални машини, токозахранващи блокове, базови станции на безжични комуникационни мрежи), както и всякакви помещения.
Цифрови сензори
Те съдържат аналоговоцифров преобразувател (АЦП) и винаги са с последователен изход, обикновено в съответствие с някой от известните стандарти. Това позволява лесното им свързване към микроконтролери, микропроцесори и цифрови сигнални процесори, както и предаване на числата по линия. Двоичното число М в изхода на сензорите е пропорционално на измерваната температура и е прието един или два от неговите старши разреди да са 0, когато тя е положителна и 1 при отрицателна температура. Освен това не винаги се използват всички стойности на числото, например 13-разредно число не означава измерване на 213 стойности на температурата. Поради това в каталозите се дава формула за изчисляване на температурата при известно число напрмер от вида t°[C] = M/k, където k е характерна за сензора константа. Трябва да се има предвид, че често даваната в каталога разредност не включва разреда или разредите на знака на температурата. Специфичен параметър на цифровите сензори е разделителната способност (Temperature Resolution), която показва най-малката промяна на температурата, която може да бъде измерена.
Основната структура на цифров сензор е дадена на фиг. 12. Измерването се осъществява чрез блока Band Gap Temperature Sensor, същият както при аналоговите сензори. Неговото напрежение се преобразува в М от АЦП (13-bit Analog/Digital Converter), който може да е различен вид и не е бърз. Той съдържа и генератора на тактови импулси за преобразуването (типична честота няколко десетки kHz) и определя броя на измерванията за секунда – обикновено между 1 и 100. Полученото число се запомня в регистъра Temperature Value Register, след което се преобразува в последователен код от блока Serial Bus Interface. При всеки тактов импулс на вход SCLK се получава един разред на М на изход DOUT. Входът DIN не винаги съществува и се използва за въвеждане на някакви данни, например за поставяне на сензора в режим очакване (Standby). Разрешаващият вход CS__ е необходим за включване и изключване на сензора, което позволява свързване на повече сензори към една линия.
В табл. 4 са дадени основните параметри на цифрови сензори без консумирания ток, който по принцип е по-голям в сравнение с аналоговите сензори. Типичните му стойности са няколко стотици mA, но нарастват на няколко mA по време на преобразуването от АЦП. Това същевременно означава, че средната консумирана мощност е право пропорционална на броя на измерванията на 1 s. Сензорът от ред 2 на таблицата е с блоковата схема на фиг. 12. Особеност на сензора на ред 4 е възможността и за измерване на температура на диод, представляващ част от микропроцесор с дължина на канала на транзисторите 45, 65 и 90 nm. Освен това по програмен път може да се установява измерване на положителни и отрицателни или само на положителни температури. Предназначението на сензора на ред 5 е за контрол на температурата на DIMM DRAM модули, като могат да се програмират 4 стойности на неговия хистерезис между 0 и 6 °С. Последният сензор (ред 6) има най-голямата засега достигната температура на измерване.
Съществува втора група цифрови ключове със задействане от температура, чието изходно стъпало е както на аналоговите ключове. Действието им се основава на сравняване на числото за текущата температура със записани в тяхната памет числа за праговите температури. Необходимите за това изходи са същите два вида, както при аналоговите ключове. Съдържанието на регистрите с двете прагови температури може да се програмира от потребителя. Важно е да се има предвид, че значителна част от ключовете могат да работят и като цифрови сензори с аналогични интерфейси.
Основните параметри на цифрови ключове са дадени в табл. 5, като точността е на двете прагови температури. Сензорът от ред 4 е предвиден само за програмиране на ТН. Даденият в ред 6 сензор има 3 извода за установяване чрез твърда връзка на негов адрес под формата на 3-разредно двоично число.
Основните приложения на цифровите ключове със задействане от температура са за реализация на термостати, в управлението на производствени процеси, в офис оборудване, климатични инсталации, апаратури за контрол на околната среда, измервателни и медицински прибори, зарядни устройства за акумулатори.




Top