wersja mobilna | kontakt z nami

Czujnik temperatury TMP01ESZ

Numer: Grudzień/2015

Inicjatywa "Elektroniki Praktycznej" pod nazwą Klub Aplikantów Próbek - w skrócie KAP - pozwala konstruktorom elektronikom na bezpłatne zapoznanie się z wieloma ciekawymi elementami elektronicznymi. W ramach KAP można otrzymać, między innymi, moduły z układem termometru/termostatu TM01ESZ firmy Analog Devices.

Pobierz PDF

Ten moduł to płytka drukowana z przylutowanym układem. Na krawędziach umieszczono listwy goldpinów o rastrze 2,54 mm. Wyprowadzenia sensora są połączone z pinami listew i dokładnie opisane. Tak przygotowaną płytkę można wmontować w układ prototypowy lub połączyć kablami z odpowiednimi końcówkami z dowolnym układem.

Układ TMP01

Rysunek 1. Schemat blokowy układu TMP01

Schemat blokowy układu TMP01 pokazano na rysunku 1. Zasadniczym elementem TMP01 jest czujnik (sensor) temperatury. Na jego wyjściu występuje napięcie proporcjonalne do temperatury. Napięcie wyjściowe VPTAT zmienia się o 5 mV/K i dla temperatury +25°C jest równe 1,49 V.

Producent podaje, że dokładność pomiaru temperatury wynosi ±1°C i jest uzyskiwana w procesie produkcyjnym przez korygowanie struktury krzemowej promieniem lasera. Czujnik jest zintegrowany z precyzyjnym źródłem napięcia odniesienia 2,5 V.

Jest on wyprowadzane na zewnątrz (wyjście VREF) i jest potrzebne do wykonania termostatu. W strukturę układu są wbudowane dwa komparatory i układ histerezy. Komparatory porównują napięcie z wyjścia modułu pomiaru temperatury z napięciami z wejść SET_HIGH i SET_LOW, tworząc układ komparatora okienkowego z histerezą.

Rysunek 2. Działanie termostatu

Napięcia na wejściach SET_HIGH i SET_LOW są ustalane przez podział dzielnikiem rezystancyjnym wysokostabilnego napięcia referencyjnego VREF. Do wykonania dzielnika można użyć rezystorów stałych lub dokładnych potencjometrów wieloobrotowych. Napięcie na wejściu SET_HIGH określa górną temperaturę działania termostatu, a SET_LOW - dolną.

Wyjścia komparatorów są połączone z tranzystorami pracującymi w okładzie otwartego kolektora (wyprowadzenia OVER i UNDER). Działanie termostatu pokazano graficznie na rysunku 2. Prąd płynący ze źródła referencyjnego powoduje wewnątrz struktury układu spadek na rezystancji ok. 1 kΩ i ten spadek określa szerokość pętli histerezy (rysunek 3).

Rysunek 3. Schemat działania układu

Jeżeli wyjście komparatora nie jest aktywne, to obwód dodawania prądu IHSYS z lustra prądowego jest otwarty (sygnał zezwolenie nie jest aktywny). Po przekroczeniu ustawionej temperatury na wejściu SET_x komparator aktywuje wyjście i jednocześnie jest włączany układ dodawania prądu na wyprowadzeniu VREF (IHSYS).

Na wejście nieodwracające komparatora jest podawana suma napięcia z wyjścia układu pomiaru temperatury i spadku na rezystancji 1 Ω przy przepływie prądu z wyprowadzenia VREF. Wyjście komparatora jest w stanie aktywnym dla napięciu na wejściu równym VPTAT plus spadek napięcia histerezy na rezystorze.

Z tego wynika, że temperatura musi spaść niżej niż TSET o wartość napięcia histerezy. Wartość prądu histerezy jest wyliczana z równania IHYS=IVREF=5 µA/°C + 7 µA. Przy obciążeniu VREF rezystancją 357 kΩ lub większą histereza jest wyłączona, bo prąd płynący przez obciążenie jest mniejszy od 7 mA.

Jak już wspomniałem, ustawienie progów termostatu realizuje się za pomocą dzielnika rezystancyjnego. Obliczenia wartości tych rezystorów można wykonać w kilku krokach:

  1. Określenie histerezy temperatury w °C.
  2. Wyliczenie prądu histerezy IVREF w mA.
  3. Określenie progów temperaturowych.
  4. Wyliczenie wartości każdego z rezystorów dzielnika.

Prąd histerezy łatwo wyliczyć. Na przykład, dla histerezy równej 2°C prąd IVREF= 2·5 µA + 7 µA = 17 µA.

Rysunek 4. Sposób obliczenia rezystorów dzielnika

Progi temperaturowe VSETHIGH i VSETLOW określa współczynnik 5 mV/K oraz napięcie 1,49 V odpowiadające 25°C. Na podstawie tych danych wyliczymy rezystancje dzielnika (rysunek 4). Napięcie na wejściu SETHIGH jest równe VSETHIGH=(TSETHIGH [°C]+273,15)·5 mV/°C, natomiast na wejściu SETLOW jest równe VSETLOW=(TSETLOW[° C]+273,15)·5 mV/°C. Znając prąd IVREF oraz napięcia VSETLOW i VSETHIGH, możemy wyliczyć wartość rezystancji R1...R3:

  • R1 = (VVREF - VSETHIGH)/IVREF = (2,5 V-VSETHIGH)/IVREF.
  • R2 = (VSETHIGH - VSETLOW)/IVREF.
  • R3 = VSETLOW/IVREF.

Suma rezystancji R1+R2+R3 stanowi obciążenie wymuszające prąd IVREF konieczny do poprawnego działania histerezy. Kiedy wejście SET_HIGH jest nieużywane, trzeba je połączyć z napięciem zasilania V+. Jeżeli wejście SET_LOW jest nieużywane, to należy je połączyć z masą GND.

W części aplikacji stosujących termostaty cyfrowe duże znaczenie ma precyzja pomiaru temperatury (napięcia) progowej i precyzja histerezy działania komparatora. Na błędy działania ma wpływ wiele czynników. Sam układ czujnika jest źródłem błędów pomiaru, ale jego dokładność w funkcji mierzonej temperatury jest znana i można próbować ją minimalizować.

Źródło napięcia referencyjnego VREF charakteryzuje się dryftem temperaturowym i tolerancją wynikającą z procesu produkcji. Trzeba jednak pamiętać, że niedokładności napięcia VREF są redukowane przez dzielniki rezystancyjne podające napięcie na wejścia SET_HIGH i SET_LOW.

Kolejnym źródłem błędów może być upływność wejść komparatorów (SET_HIGH i SET_LOW). W układzie TMP01 prąd upływu jest typowo mniejszy od 1 nA, co w pewnym warunkach może być źródłem błędów. Jednak sam układ produkowany w kontrolowanych warunkach ze zmierzonymi parametrami będzie sprawiał mniej problemów niż zewnętrzny dzielnik rezystancyjny.

Po wyliczeniu wartości rezystancji musimy dobrać rezystory jak najbliżej wyliczonej wartości. Rezystory są produkowane z tolerancjami od 0,1%. Jeżeli zależy nam na jak największej dokładności, to najprawdopodobniej trzeba będzie wykonać rezystory dzielnika na zamówienie.

Ale to nie koniec problemów. Jeżeli układ ma pracować w szerokim zakresie temperatury, to trzeba zastosować rezystory o dobrej stabilności temperaturowej. Niekiedy konieczne może okazać się umieszczenie rezystorów z dala od czujnika mierzącego temperaturę. W obwodach, w których płyną małe prądy, istotne jest również właściwe zaprojektowanie obwodu drukowanego z prawidłowym prowadzeniem masy i rozmieszczeniem elementów.

Kolejnym ważnym czynnikiem jest szybkość pomiaru temperatury. Jeżeli temperatura zewnętrzna zmienia się z pewną szybkością, to może zdarzyć się, że termostat nie zdąży zareagować w wymaganym czasie i nawet najlepiej zaprojektowany układ elektryczny na niewiele się zda. Sensor ma pewną "bezwładność" temperaturową i wymaga czasu, aby zareagował na zmianę temperatury.

W praktycznej aplikacji źródłem błędów pomiaru temperatury będzie też sam układ TMP01. Każdy elektroniczny termometr w trakcie działania wytwarza ciepło, które powoduje wzrost temperatury wewnętrznej. Powoduje to wskazania pomiaru wyższe niż rzeczywista wartość. Głównym winowajcą zwiększonego poboru energii może być wyjście z otwartym kolektorem. Jeżeli przez to wyjście płynie ciągły prąd o maksymalnym natężeniu 20 mA, to w układzie wydziela się dodatkowa moc

P_DISS=0,6 V•0,02 A=12 mA.

Przyrost temperatury wyliczymy z równania

ΔT=P_DISS•ΘJC=0,012 W•158°C/W=1,9°C

Sterowanie wyjściem np. OVER może zawyżać pomiar o około 2°C. Można temu zapobiec przez przymocowanie (przyklejenie) układu do radiatora. Wtedy przyrost temperatury będzie wynosił około

ΔT=P_DISS•ΘJC=0,012 W•43°C/W=0,52°C

Jednak wtedy na pewno zmniejszy się szybkość rejestracji zmian temperatury.

Testy praktyczne

Rysunek 5. Testowy dzielnik dla układu TMP01

Ponieważ mamy gotowy moduł z wyprowadzeniami, nic nie stoi na przeszkodzie, by przetestować działanie termostatu w praktyce. Załóżmy, że histereza pomiaru będzie wynosiła 2°C. Wtedy prąd wypływający z wyjścia VREF musi mieć natężenie 17 µA (wyliczyliśmy to już wcześniej). VSETHIGH ustawimy na 40°C, a VSETLOW na 27°C. Wyliczamy VSETHIFG dla 40°C i VSETLOW dla 27°C:

  1. VSETHIGH=(40+273,15)·0,005 = 1,56575 V.
  2. VSETLOW=(27+273,15) 0,005=1,50075 V.

Następnie rezystory dzielnika:

  • R1 = (2,5 V - 1,56575 V)/0,000017 = 54955 Ω.
  • R2 = (1,56575 V - 1,50075)/0,000017 = 3824 Ω.
  • R3 = 1,50075/0,000017 = 88279 Ω.

Nasze wyliczenia można sprawdzić, dodając R1+R2+R4=147058 Ω. Z prawa Ohma 147058 Ω·0,000017 A = 2,499986 V. Jak wspomniałem, dość trudno będzie dobrać rezystory o takich wartościach z szeregu o tolerancji np. 1%. Do celów testowych można użyć rezystorów stałych połączonych szeregowo z potencjometrami montażowymi.

W ten sposób wykonałem dzielnik w prototypie - wykonałem go z rezystorów stałych połączonych szeregowo z wieloobrotowymi, precyzyjnymi potencjometrami o rezystancji 25 kΩ, jak pokazano na rysunku 5. Elementy dzielnika zamocowano do listwy goldpinów i połączono z płytką ewaluacyjną za pomocą kabli z odpowiednimi końcówkami. Na tej samej listwie umieszczono dwie diody LED z rezystorami 1 kΩ ograniczającymi prąd. Te diody zostały przeznaczone do sygnalizowania stanu wyjść OVER i UNDER.

Po ustawieniu za pomocą omomierza wyliczonych wartości rezystorów R1, R2 i R3 połączyłem układ dzielnika z płytką ewaluacyjną i zasiliłem napięciem +5 V. W prawidłowo działającym układzie na wyprowadzeniu VREF powinno być napięcie +2,5 V, a na wejściach VSETHIGH i VSETLOW, odpowiednio: 1,565 V i 1,500 V.

W praktyce, ustawienie wyliczonych wartości było bardzo trudne, jednak celem tego testu nie było uzyskanie bardzo dokładnych progów przełączania, tylko sprawdzenie działania sensora. Po zasileniu wystarczyło lekko podgrzać układ przez dotknięcie palcem, a zaświecała się dioda podłączona do wyjścia UNDER.

Przypomnijmy, że próg zdziałania w tym wypadku miał wynosić 27°C. Drugi próg temperaturowy OVER uzyskałem, umieszczając układ w pewnej odległości nad grotem rozgrzanej lutownicy. Po zmierzeniu napięcia na wyjściu VPTAT okazało się, że przełączanie wyjścia UNDER następowało w temperaturze +28°C, a wyjścia OVER w temperaturze +38°C.

Ten test pokazał, że aplikowanie okienkowego termostatu z histerezą przełączania jest z jednej strony bardzo łatwe do wykonania - wystarczą 3 rezystory. Z drugiej strony, jeżeli zależy nam na dokładności, to musimy się liczyć z tym, że niezbędne będzie zastosowanie nietypowych rezystorów, stabilnych temperaturowo i o małej tolerancji wykonania.

Kiedy zetknąłem się z TMP01, pierwszą myślą było zastosowanie go w roli czujnika temperatury dla cyfrowego termometru zbudowanego z użyciem mikrokontrolera wyposażonego w przetwornik A/C. Jednak wystarczy rzut oka na charakterystykę zmian napięcia wyjściowego, aby zdać sobie sprawę, że nie jest to dobry pomysł.

W całym zakresie temperatury napięcie wyjściowe VPTAT zmienia w zakresie 1,09...1,99 V. Jak pamiętamy, zmiana temperatury o 1°C powoduje zmianę napięcia o 5 mV. Jeżeli weźmiemy typowy przetwornik o rozdzielczości 10 bitów i napięciu referencyjnym 3,3 V, to potrafi on zarejestrować zmianę napięcia o wartości 3,2 mV.

Rysunek 6. Konwerter z 5 mV/K na 10 mV/°C

Byłoby to do zaakceptowania, gdyby napięcie na wyjściu zmieniało się od 0 V do 3,3 V, jednak my wykorzystujemy tylko część zakresu. Gdybyśmy nawet pominęli trudności w przeliczaniu rozdzielczości dla jednego bita równej 3,3 mV przy zmianie 5 mV/°C, to i tak wykorzystujemy tylko 30% zakresu pomiarowego przetwornika.

Można by było temu zaradzić przez stosowanie analogowych układów dodatkowych przesuwających poziom o -1 V i 3-krotnie wzmacniających sygnał, ale wiąże się to z rozbudową układu. W dokumentacji sensora pokazano konwerter współczynnika napięcia wyjściowego z 5 mV/K na 10 mV/°C i z napięciem wyjściowym 0 V dla temperatury 0°C (rysunek 6).

Jak widać, potrzebny jest wzmacniacz operacyjny zasilany napięciem symetrycznym ±15 V oraz garść rezystorów o nietypowej rezystancji. W dokumentacji można również znaleźć gotowe rozwiązanie alarmu termicznego, który sygnalizuje obniżenie temperatury do +15°C lub jej wzrost do +35°C.

Podsumowanie

Czujnik TMP01 to bardzo ciekawy układ przeznaczony głównie do budowania precyzyjnych termostatów z możliwością sprzętowego ustalania histerezy w punkcie przełączania. To układ analogowy, nie ma interfejsów cyfrowych i nie jest optymalizowany do zastosowania w technice cyfrowej.

Może to być postrzegane jako wada, ale jest zaletą. Jedynie dzięki dołączeniu do układu trzech rezystorów możemy zbudować dokładny, regulowany w szerokim zakresie termostat okienkowy z histerezą. Nie potrzeba do tego mikrokontrolera i żadnych dodatkowych układów, co upraszcza aplikację i znacząco obniża cenę gotowego urządzenia.

Tomasz Jabłoński, EP

Pozostałe artykuły

Drony - wielowirnikowce

Numer: Sierpień/2017

Na pytanie, czym są drony i na jakiej zasadzie działają, można odpowiedzieć dosłownie w kilku zdaniach. Innowacyjna technologia dronów stale ewoluuje, zaś spore środki finansowe zapewniane przez duże koncerny skutkują coraz bardziej zaawansowanymi konstrukcjami wprowadzanymi na rynek dosłownie co kilka miesięcy. W tym artykule omówimy technologię UAV (Unmanned Aerial Vehicle), bazując na jednym z najbardziej popularnych modeli dostępnych ...

Robotyka w małej skali

Numer: Sierpień/2017

Branża robotyki dynamicznie rozwija się od wielu lat, ale skojarzenia ze słowem "robot" będą istotnie różne, w zależności od osoby, którą o tę tematykę zapytać. I choć zdecydowana większość przychodów w branży robotyki pochodzi z urządzeń w żadnym stopniu nieprzypominających robotów z filmów SF, wiele wskazuje na to, że niebawem ta sytuacja może się mocno zmienić. Pokazujemy, w jaki sposób najszybciej zaangażować się ...

Sklepy internetowe dla modelarzy

Numer: Sierpień/2017

...

Amazon Alexa. Asystentka głosowa przyszłości

Numer: Sierpień/2017

...

Osobliwości kompilatora AVR-GCC i mikrokontrolerów AVR (3)

Numer: Sierpień/2017

Kompilator AVR GCC jest chętnie stosowany do kompilowania programów dla mikrokontrolerów AVR. Jak każdy kompilator ma swoje wady i zalety. Specyfika kompilatorów może być istotna, gdy program ma działać szybko lub zajmować mało miejsca w pamięci. Bałagan w definicjach rejestrów czy ich funkcjonalność zmieniana przez producenta w niektórych typach procesorów nie ułatwia pisania programów.

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Sierpień 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym