Zaloguj się
Wszystkie
28 lutego 2025
42
Temperatura stanowi jedną z najczęściej mierzonych wielkości fizycznych i jest powszechnie wykorzystywana jako parametr w układach opartych na mikrokontrolerach i ogólnie w systemach wbudowanych.
Kontaktowy czujnik temperatury wytwarza zazwyczaj sygnał analogowy – napięcie lub prąd – który zmienia się w ściśle określony sposób wraz z temperaturą. Sygnał ten może być zamieniony na postać cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), który może być albo wbudowany w mikrokontroler, albo wchodzić w skład układu scalonego czujnika (który wtedy komunikuje się z mikrokontrolerem cyfrowo); może też stanowić oddzielny układ scalony. Mikrokontroler odczytuje ADC (bezpośrednio lub pośrednio) i uzyskuje liczbę dwójkową reprezentującą temperaturę. Zazwyczaj liczba ta musi zostać w jakiś sposób przetworzona w celu uzyskania wartości temperatury w standardowej skali, np. w stopniach Celsjusza (°C). Złożoność przetwarzania zależy od typu używanego czujnika i wymaganej dokładności pomiaru. Jedną z zalet LM35 jest prosta zależność między jego napięciem wyjściowym a mierzoną temperaturą. Obliczenia stają się bardziej złożone jedynie wtedy, gdy przeprowadzana jest jakaś kompensacja niedokładności czujnika.
Oczywiście czujniki z wyjściem analogowym mogą być również używane w układach, które nie wymagają mikrokontrolera – na przykład w analogowych regulatorach temperatury.
W systemie mikroprocesorowym, wykorzystującym układ scalony czujnika analogowego taki jak LM35, przetwornik ADC musi być prawidłowo skonfigurowany. Obejmuje to ustawienie napięć odniesienia, które określają zakres przetwarzania.
Zakres napięcia wyjściowego z czujnika temperatury jest jednak zwykle mniejszy niż standardowy zakres wejściowy ADC. W takim przypadku pełna rozdzielczość ADC nie zostaje wykorzystana. Dotyczy to wszystkich typów analogowych czujników temperatury.
Wybór
Podczas projektowania systemu pomiaru temperatury należy podjąć decyzję, jaki ogólnie rodzaj czujnika ma zostać użyty. Czujniki mogą być kontaktowe i bezkontaktowe.
Najpopularniejszy sposób bezkontaktowego pomiaru temperatury wykorzystuje promieniowanie podczerwone i obejmuje pirometry i kamery termowizyjne. Oba te typy czujników mierzą temperaturę powierzchni obiektu, na który „patrzą”. Z kolei kontaktowe czujniki temperatury to termistory, termopary, czujniki rezystancyjne (RTD) i czujniki w postaci układów scalonych.
Zasadniczo wszystkie te elementy wykorzystują elektryczne właściwości materiałów, zmieniające się wraz z temperaturą w określony, przewidywalny sposób. W celu zapewnienia użytecznego pomiaru wyniki muszą być odpowiednio kalibrowane. Czujniki różnią się pod względem wykorzystywanych praw fizyki, a także materiałów i procesów produkcyjnych stosowanych do ich budowy.
Przewaga układów scalonych nad innymi wymienionymi elementami polega na ich zwiększonej funkcjonalności i/lub prostocie użycia. Obejmują one jednak węższy zakres temperatur niż np. termopary i nie osiągają dokładności najlepszych czujników RTD.
Układy scalone czujników temperatury dzielą się na dwie główne kategorie. Jedne wysyłają sygnał analogowy bezpośrednio związany z temperaturą (zwykle napięcie). Drugie to czujniki z interfejsami cyfrowymi, używane w systemach opartych na mikrokontrolerach. Nie zapewniają wysokiej dokładności, są za to wygodne w użyciu; wymagają jedynie zaprogramowania interfejsu cyfrowego, takiego jak SPI lub I²C.
Zasada działania
Większość układów scalonych czujników temperatury, takich jak LM35, opiera swe działanie na zależnym od temperatury zachowaniu półprzewodników, w szczególności złącza p-n w diodach i tranzystorach bipolarnych. Wpływ temperatury na układy tranzystorowe jest ogólnie znany i projektanci poświęcają nieraz wiele wysiłku, próbując go przezwyciężyć (patrz artykuły w EdW 1/2025 i 2/2025 na temat wzmacniaczy logarytmicznych i wykładniczych). Wielkości elektryczne zależne od temperatury są więc w układzie elektronicznym łatwe do uzyskania. Trudność przy opracowywaniu czujnika takiego jak LM35 polega na osiągnięciu liniowej i dobrze kontrolowanej zależności między temperaturą a sygnałem wyjściowym układu w szerokim zakresie temperatur.
Jako czujnik temperatury może być zasadniczo używana zwykła dioda (złącze p-n), ponieważ przy stałym prądzie jej napięcie przewodzenia zmienia się o około –2 mV na stopień Celsjusza. Większą dokładność można uzyskać, stosując dwie diody (lub dwa złącza baza-emiter tranzystora) pracujące przy różnych prądach, i mierzyć różnicę spadków napięć na obu złączach p-n. Ta różnica zmienia się liniowo wraz z temperaturą bezwzględną. Cecha ta została wykorzystana w wielu układach scalonych czujników temperatury, takich jak LM34, LM35, LM50, LM60, LM61, MCP9700, MCP9701, TMP35, TMP36, TMP37 i TSIC301. Stosowane są również inne podejścia. Na przykład układy AD22100 i AD22103 wykorzystują rezystancje zależne od temperatury. Z kolei seria LM135/235/335 to coś w rodzaju diod Zenera z napięciem przebicia wprost proporcjonalnym do temperatury bezwzględnej (ze współczynnikiem 10 mV/K). Zakres pomiarowy LM135 wynosi –55°C...+150°C. Istnieje również układ AD950, który jest elementem dwuzaciskowym. Ma liniowe wyjście prądowe 1 μA/K (znów skala Kelwina), zasilanie 4 V...30 V, zakres pomiarowy –55°C...+150°C.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
