Полупроводниковые датчики температуры
Полупроводниковые датчики температуры
Полупроводниковые датчики температуры предназначены для измерения температуры от -55° до 150°С. В этот диапазон попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Благодаря высоким характеристикам, простоте применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.
Принцип работы
| Полупроводниковые датчики температуры |
Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода.
Схемы, использующие одиночный p-n переход, отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров, связанных с особенностями изготовления и работы полупроводниковых приборов. Поэтому промышленность выпускает множество типов специализированных датчиков, имеющих в своей основе вышеописанный принцип, но дополнительно оснащенных цепями, устраняющими негативные особенности и значительно расширяющими функционал приборов.
Аналоговые полупроводниковые датчики
| Типовая схема включения полупроводникового термометра с коррекцией |
Простые аналоговые полупроводниковые датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе.
Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в суженном диапазоне от -25° до 100°С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода.
Примеры аналоговых датчиков температуры
| Модель | Диапазон измерений | Точность | Температурный коэффициент | Производитель |
| LM35 | от -55°С до +150°С | ±2°С | 10 мВ/°С | National Semiconductor |
| LM135 | от -50°С до +150°С | ±1. 5°С |
10 мВ/°С | National Semiconductor |
| LM335 | от -40°С до +100°С | ±2°С | 10 мВ/°С | National Semiconductor |
| TC1047 | от -40°С до +125°С | ±2°С | 10 мВ/°С | Microchip |
| TMP37 | от -40°С до +125°С | ±2°С | 20 мВ/°С | Analog Devices |
Кроме простых датчиков, производители предлагают также готовые интегральные системы термостатирования. Подобные микросхемы, например LM56 от National Semiconductor, оснащены выходом для управления нагрузкой. Температура срабатывания выхода задается в виде заводской установки, либо с помощью навесных элементов, подключаемых к специальным входам задания. Невысокое качество регулирования, обеспечиваемое данными элементами, компенсируется их простотой использования и сверхнизкой стоимостью готовых систем управления.
Полупроводниковые датчики с цифровым выходом
Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например датчиках влажности. Возможен и противоположный вариант — добавления различных элементов к датчикам. Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов. Также использование стандартных интерфейсов позволяет интегрировать датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину.
Программирование протокола обмена с большинством датчиков не представляется сложной задачей, что обусловило огромную популярность применения этих элементов в любительской практике и мелкосерийном производстве.
Примеры датчиков температуры с цифровым выходом
|
Модель |
Диапазон |
Точность |
Разрешение |
Интерфейс |
Производитель |
|
LM75 |
от -55°С до +125°С |
±3°С |
9 бит |
I2C |
National Semiconductor |
|
LM76 |
от -55°С до +150°С |
±1. |
13 бит |
I2C |
National Semiconductor |
|
DS18B20 |
от -55°С до +125°С |
±2°С |
9-12 бит |
1-Wire |
MAXIM |
|
DS1621 |
от -55°С до +125°С |
±1°С |
9 бит |
I2C |
MAXIM |
|
DS1722 |
от -55°С до +120°С |
±2°С |
12 бит |
SPI |
Dallas Semiconduction |
|
MCP9800 |
от -55°С до +125°С |
±3°С |
12 бит |
I2C |
Microchip |
|
MSP9808 |
от -40°С до +125°С |
±1°С |
12 бит |
I2C |
Microchip |
|
ADT7320 |
от -40°С до +150°С |
±0. |
|
SPI |
Analog Devices |
5°С 
25°С Характеристики интегральных датчиков температуры с цифровым выходом в целом соответствуют характеристикам аналоговых вариантов. При этом в виду применения АЦП, добавляется такой параметр, как разрешение выходных данных. Сегодня можно встретить датчики с разрешением от 9 до 16 бит. Часто данный параметр указывается в виде температуры, определяемой младшим разрядом АЦП. Например, для высокоточного датчика LM76, предоставляющего пользователю 13-битные данные, он составляет 0.0625°С. Не следует путать этот параметр с точностью измерений, так как вес младшего разряда АЦП определяет только точность работы аналогово-цифрового преобразователя, без учета характеристики датчика. Для того же LM76, заявленная точность измерений не превышает ±1°С.
| Типовая схема использования цифрового датчика температуры |
Кроме непосредственного измерения температуры, многие цифровые датчики обладают дополнительными функциональными возможностями.
Наибольшее распространение получил дополнительный выход термостатирования, позволяющий использовать микросхемы без внешних устройств управления. Также можно встретить входы подключения дополнительных внешних температурных датчиков и дискретные порты ввода вывода.
Другие статьи:
Датчики температуры. Общий обзор.
Термометр на микроконтроллере PIC12F629
Терморегулятор на микроконтроллере PIC16F676
You have no rights to post comments
ПП-2 термодатчик полупроводниковый
Главная/Каталог/Приборы контроля, сигнализации и управления/ПП-2 термодатчик полупроводниковый
Термодатчик полупроводниковый ПП 2; ПП-2 термодатчик; термодатчик
ТУ 25-7529.0009-87
НАЗНАЧЕНИЕ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2
Термодатчик полупроводниковый ПП-2 представляет собой полупроводниковый терморезистор с линеаризированной, за счет последовательного соединения с ним манганиновых сопротивлений, характеристикой и предназначен для комплектации электротермометров типа ТП-2 и электротермометров типа ТП-3, применяемых для дистанционного измерения температуры воды, масла или антифриза в системах охлаждения двигателей тепловозов и других энергетических установок.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2
1 | Диапазон измеряемых температур, °C | от 0 до 120 |
2 | Диапазон рабочих температур, °C | от 20 до 90 |
3 | Допускаемая погрешность измерения, °C, не более | ±4 |
4 | Показатель тепловой инерции, с, не более | 15 |
5 | Условное давление измеряемой среды, Ру, МПа | 1,5 |
6 | Материал монтажной части защитной арматуры | Сталь 12Х18Н10Т |
7 | Электрическое сопротивление изоляции измерительной цепи термодатчика относительно корпуса при температуре окружающего воздуха (25±10) °C и относительной влажности от 30 до 80%, МОм, не менее | 100 |
8 | Степень защиты от воздействия пыли и воды | IP00 |
9 | Габаритные размеры, мм | Ø30х160 |
10 | Масса, кг, не более | 0,25 |
11 | Средний срок службы, лет | 8 |
СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Температура, °C | Номинальное значение сопротивления, Ом | Предельное допускаемое отклонение, Ом | |
при изготовлении | за время эксплуатации до 5000 ч | ||
0 | 129,05 | ±1,60 | ±4,00 |
20 | 118,80 | ±1,26 | ±3,15 |
60 | 83,02 | ±1,96 | ±4,90 |
90 | 57,99 | ±1,39 | ±3,48 |
120 | 42,90 | ±1,50 | ±3,75 |
КОМПЛЕКТНОСТЬ
Термодатчик ПП-2 — 1 шт.
Паспорт — 1 экз.
Консультация эксперта по подбору оборудования
Оставьте заявку, и мы свяжемся
с Вами в ближайшее время
5.2.6 Полупроводниковые датчики температуры — DSPE
Полупроводниковый (или ИС для интегральной схемы) датчик температуры представляет собой электронное устройство, изготовленное аналогично другим современным электронным полупроводниковым компонентам, таким как микропроцессоры. Обычно сотни или тысячи устройств формируются на тонких кремниевых пластинах. Прежде чем пластина будет размечена и разрезана на отдельные чипы, они обычно обрезаются лазером.
Полупроводниковые датчики температуры поставляются рядом производителей. Не существует общих типов, как в случае с термопарами и термометрами сопротивления, хотя ряд устройств производится более чем одним производителем. AD590 и LM35 традиционно были самыми популярными устройствами, но за последние несколько лет стали доступны лучшие альтернативы.
Эти датчики имеют ряд общих характеристик: линейные выходы, относительно небольшой размер, ограниченный диапазон температур (обычно от -40 до +120°C), низкая стоимость, хорошая точность при калибровке, но плохая взаимозаменяемость.
Часто полупроводниковые датчики температуры имеют плохую тепловую конструкцию, а полупроводниковый чип не всегда находится в хорошем тепловом контакте с внешней поверхностью. Некоторые устройства склонны к колебаниям, если не будут приняты меры предосторожности. При условии понимания ограничений полупроводниковых датчиков температуры их можно эффективно использовать во многих приложениях.
Наиболее популярные полупроводниковые датчики температуры основаны на основных температурных и токовых характеристиках транзистора. Если два идентичных транзистора работают при разных, но постоянных плотностях коллекторного тока, то разница в их напряжениях база-эмиттер пропорциональна абсолютной температуре транзисторов. Эта разность напряжений затем преобразуется в несимметричное напряжение или ток. Смещение может быть применено для преобразования сигнала абсолютной температуры в градусы Цельсия или Фаренгейта.
Как правило, полупроводниковый датчик температуры лучше всего подходит для встроенных приложений, то есть для использования внутри оборудования.
Это связано с тем, что они, как правило, электрически и механически более чувствительны, чем большинство других типов датчиков температуры. Однако они имеют законное применение во многих областях, поэтому они включены.
Точность полупроводниковых датчиков
Как видно из приведенной выше информации, точность «из коробки» или взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры не особенно высока. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный корпус для электронных устройств, что далеко не идеально для точного измерения температуры. Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.
При калибровке отдельных датчиков возможна значительно более высокая точность измерений. Как правило, калибровка по двум точкам обеспечивает пятикратное повышение точности, а калибровка по трем точкам дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна еще более высокая точность.
Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютного измерения).
Диодные датчики температуры
В качестве датчика температуры можно использовать обычный полупроводниковый диод. Диод является самым дешевым датчиком температуры и может дать более чем удовлетворительные результаты, если вы готовы провести двухточечную калибровку и обеспечить стабильный ток возбуждения. Подойдет почти любой кремниевый диод. Смещенное в прямом направлении напряжение на диоде имеет температурный коэффициент около 2,3 мВ/°C и достаточно линейно. Схема измерения проста, как показано справа.
Ток смещения должен поддерживаться как можно более постоянным – с использованием источника постоянного тока или резистора от источника стабильного напряжения.
Без калибровки начальная погрешность, вероятно, будет слишком большой – порядка ±30°C – самая большая из всех датчиков температуры контактного типа.
Эта начальная ошибка значительно уменьшается, если используются детали сенсорного качества.
Одним из преимуществ диода в качестве датчика температуры является его электрическая надежность — устойчивость к скачкам напряжения, вызванным ударом молнии. Это особенно верно, если используются силовые диоды (например, обычный 1N4004), а второй встречно-параллельный диод используется для ограничения рассеиваемой мощности во время высоких пиковых токов.
Транзисторный датчик используется в диодном режиме путем соединения базы и коллектора вместе. Если этого не сделать, датчик подключается между базой и эмиттером, а ток возбуждения уменьшается примерно в 100 раз. В результате получается очень маломощный, чувствительный и линейный датчик. Простота и производительность датчика недооценены.
Чтобы улучшить работу диода в качестве датчика температуры, два напряжения диода (V1 и V2) могут быть измерены при различных токах (I1 и I2), обычно выбираемых с отношением примерно 1:10. Абсолютную температуру можно рассчитать по уравнению: 9{5} \cdot ln (\frac{ I1}{ I2})}$$
Результат в Кельвинах (К).
Этот метод используется большинством датчиков температуры на интегральных схемах и объясняет, почему некоторые из них выдают сигнал, пропорциональный абсолютной температуре.
Точность полупроводниковых датчиков
Точность взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры не особенно высока. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный корпус для электронных устройств, что далеко не идеально для точного измерения температуры (+/- 4 °C для большинства типов). Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.
При калибровке отдельных датчиков возможна значительно более высокая точность измерений. Как правило, калибровка по двум точкам обеспечивает пятикратное повышение точности, а калибровка по трем точкам дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна еще более высокая точность. Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютного измерения).
Различные типы термодатчиков | Блог системного анализа
Ключевые выводы
Устройство, измеряющее температуру системы или пространства, называется термодатчиком.
- Термопары
являются наиболее часто используемыми термодатчиками в промышленности, автомобилестроении и потребительском оборудовании.
- ИК-датчики
— это электронные датчики, определяющие температуру путем испускания ИК-излучения.
Бесконтактный термометр относится к типу термодатчиков
Термодатчики повсюду: в наших чайниках, холодильниках, микроволновых печах и водонагревателях. На протяжении всей пандемии COVID-19 для проверки температуры использовались бесконтактные термодатчики. Термодатчики также присутствуют в медицинских системах, кухонных комбайнах, бойлерах и нефтехимических системах.
Учитывая широкий спектр их применения, существует множество типов термодатчиков, различающихся по своей чувствительности и точности. Давайте обсудим несколько распространенных типов термодатчиков и важную роль, которую они играют в электронике.
Роль термодатчиков
Большинство электронных компонентов рассчитаны на работу в определенном диапазоне температур. Однако производительность электронного компонента может ухудшиться при повышении температуры окружающей среды. Когда температура превышает допустимый максимальный предел, компонент повреждается из-за нагрева или теплового разгона. Из-за этого тепловые характеристики играют важную роль при выборе компонентов электронных схем. В автомобильной, промышленной и потребительской электронике производительность и надежность поддерживаются с помощью термодатчиков.
Типы термодатчиков
Все термодатчики измеряют температуру системы или пространства. Их основная цель — предотвратить перегрев систем и компенсировать изменения электрических параметров, зависящие от температуры.
Конкретный тип термодатчика выбирается в зависимости от чувствительности и точности, требуемой в системе. Термодатчики можно классифицировать как:
Термопары
Термопара представляет собой нелинейный термодатчик. Чувствительность и температурные диапазоны термопары варьируются в зависимости от типов металлов, связанных вместе. Точность термопар очень низкая, но они обеспечивают широкий рабочий диапазон от -200 ℃ до 1750 ℃.
Термопары являются наиболее часто используемыми термодатчиками в промышленности, автомобилестроении и потребительском оборудовании. Они работают по принципу эффекта Зеебека — явления, при котором разница температур между двумя разнородными металлическими проводами создает разницу напряжений. Разность напряжений пропорциональна изменению температуры. Для преобразования разности напряжений в измерения температуры используется справочная таблица.
Термометры сопротивления (RTD)
В термометрах сопротивления изменение сопротивления используется для измерения температуры.
RTD требуют, чтобы материалы имели четко определенную зависимость сопротивления от температуры. Платина является лучшим материалом для RTD из-за ее линейной зависимости между изменением сопротивления и изменением температуры. Платиновые термометры сопротивления стабильны, точны и воспроизводимы в измерениях с рабочим диапазоном от -270 ℃ до 850 ℃. Другими материалами, используемыми в RTD, являются никель и медь, но с этими металлами точность ниже.
Термисторы
Как и термометры сопротивления, термисторы также используют сопротивление при измерении температуры. Термисторы используют полимерные или керамические материалы вместо платины и меди, что делает их более дешевыми, но менее точными, чем RTD. Существует два типа термисторов:
- Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) — В термисторах этого типа изменение сопротивления обратно пропорционально изменению температуры.
- Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) — В термисторе этого типа изменение сопротивления прямо пропорционально изменению температуры.
Термометры
Термометры используются для измерения температуры любых стеклянных тел или жидкостей. Измерения температуры пропорциональны изменению объема чувствительного элемента температуры, заполненного внутри термометра. Точность термометра зависит от размера устройства и жидкости, используемой в качестве чувствительного элемента температуры.
Инфракрасные (ИК) датчики
ИК-датчики — это электронные датчики, определяющие температуру путем испускания ИК-излучения. Это термодатчики бесконтактного типа. В ИК-датчиках пользователь выбирает компромисс между стоимостью и точностью; чем выше стоимость ИК-датчика, тем выше его точность.
Полупроводниковые термодатчики
Полупроводниковые термодатчики доступны в виде микросхем датчиков температуры. Эти ИС обнаруживают изменение температуры по изменению выходных величин, таких как ток, напряжение, сопротивление и т. д. ИС полупроводниковых термодатчиков обладают высокой точностью и линейностью в диапазоне температур от 55℃ до 155℃.