Vezja za prilagajanje signala z oddaljenih diod
Microchip Technology Inc
Avtor: John Austin
2018_268_16
Integrirana vezja za prilagajanje signalov z oddaljenih diod zagotavljajo stroškovno učinkovito alternativo tradicionalnim rešitvam za zaznavanje temperature.
Slika 1: Vezje z enojnim ojačenjem za prilagajanje termistorja in pripadajoča izhodna karakteristika
Rešitev z integriranimi vezji za prilagajanje signalov z diod za spremljanje in nadzor temperature na daljavo je bila v računalniški in strežniški industriji že več kot desetletje preverjena tehnologija za zaznavanje temperature. V številnih aplikacijah lahko uporaba te tehnologije zmanjša stroške, skrajša čas razvoja in zmanjša potrebo po strokovnem znanju s področja termičnega načrtovanja. V tem članku se bomo dotaknili prednosti, omejitev in stroškovne učinkovitosti integriranih vezij za daljinski nadzor temperature v primerjavi z drugimi tradicionalnimi tehnologijami za zaznavanje temperature, kot so senzorji temperature v integriranih vezjih, termistorji, uporovni termični detektorji (RTD) in termočleni.
Ključna merila za načrtovanje, kot so natančnost temperature, poraba energije, cena in velikost sistema ter kompleksnost načrtovanja, bodo prav tako obravnavane za vsako od teh rešitev. V nadaljevanju članka avtor predstavlja primer, kako se lahko rešitev z oddaljeno diodo uporabi za odpravo številnih omejitev, ki jih najdemo v prej omenjenih “tradicionalnih” rešitvah. Članek bo govoril tudi o tem, kako za izboljšanje delovanja sistema uporabljati integrirane funkcije, kot so odpravljanje napak pri odpovedi, dinamično poprečenje in nadzor pod vplivom kritične temperature. Na koncu pa bo ta članek poudaril razpoložljiva orodja, ki bodo oblikovalcem pomagala prepoznati izdelek, ki je najbolj primeren za njihovo uporabo (MAPS).
Termistorji
Termistorji so najpogostejši način zaznavanja temperature. Termistorji so izdelani s polprevodniškimi materiali in imajo lahko bodisi pozitivni bodisi negativni (PTC ali NTC) temperaturni koeficient. Upornost termistorja se spreminja s spremembo temperature. Upornost termistorja PTC se s povišanjem temperature poveča, medtem ko se upornost NTC termistorja s povišanjem temperature zmanjša.
Pri rešitvah na osnovi termistorjev obstajajo določene prednosti. Prvič, termistorji so zelo občutljivi na temperaturne spremembe, poleg tega pa imajo tudi hiter toplotni odziv in so poceni. Največja pomanjkljivost takšnih rešitev je, da so termistorji v širokem temperaturnem obsegu zelo nelinearni.
Na sliki 1 je prikazano vezje s termistorjem, nizkoprepustnim filtrom in ojačevalnikom z enojnim ojačenjem. Nizkoprepustni filter (R2 in C1) filtrira sistemske motnje iz izhodov senzorja, ojačevalnik z ojačenjem 1 pa se uporablja za napajanje uporovnih ali kapacitivnih bremen. Napetost na termistorju (VTH) je sorazmerna s spremembo temperature. Graf sicer od 00C do 700C prikazuje linearni odziv, vendar pa pri ekstremnih temperaturah prihaja do znatne nelinearnosti. Sprememba upornosti glede na spremembo temperature je veliko manjša, kot če bi jo primerjali z linearnim območjem. To zahteva nekoliko ojačen signal, ki izboljša ločljivost meritev pri ekstremnih temperaturah v vročih in mrzlih razmerah.
Termistorji so poceni in zagotavljajo natančen nadzor temperature v nekem omejenem temperaturnem območju. Za doseganje večje natančnosti v širšem obsegu pa je potrebno načrtovanje bolj zapletenih vezij, kar poveča končno ceno sistema. V večini primerov so lahko nekatere druge rešitve, kot so na primer integrirana vezja za prilagajanje signalov z oddaljenih diod, primernejše za uporabo pri razširjenih temperaturnih pogojih. Za aplikacije, ki spremljajo več različnih temperaturnih območij, lahko integrirano vezje za prilagajanje oddaljenih diod pomeni znatne prednosti glede stroškov razvoja in pri končni ceni izdelka.
Uporovni detektorji temperature (RTD)
Slika 2: Poceni izvedba z RTD vezjem
Uporovni detektorji temperature (RTD) so robustna rešitev za nadzor temperature. Ti senzorji s svojimi lastnostmi zagotavljajo odlično ponovljivost in stabilnost. Razvijalec aplikacije lahko z uporabo RTD-ja doseže visoko natančnost v razponu več 100 stopinj Celzija. To zahteva skrbno umerjanje, kalibracijo in pretvorbo upornosti v temperature in v svetu glede tega obstajajo različni prilagojeni standardi in specifikacije.
V osnovnem RTD vezju potrebujemo vir konstantnega toka, ki teče skozi upor in vezje z analognim instrumentalnim ojačevalnikom za merjenje padca napetosti prek RTD-ja. Izhod ojačevalnika je običajno priključen na vhod analogno-digitalnega pretvornika (ADC) za digitalizacijo. Druga vezja spremembo upornosti pretvorijo v frekvenco. Vezje na sliki 2 na primer prikazuje sprostitveni oscilator, ki uporablja RC člen in primerjalnik, da na izhodu ustvari signal s frekvenco, ki je sorazmerna spremembi temperature. Frekvenco lahko priključimo neposredno na mikrokontroler in izvedemo digitalizacijo. Pri načrtovanju RTD vezja je treba skrbno preveriti učinek lastnega segrevanja.
RTD imajo odlično ponovljivost in lahko zagotovijo zelo dobro rešitev za natančen nadzor temperature v širokem temperaturnem območju. Slaba stran te tehnologije so višja cena, večja kompleksnost načrtovanja in večja poraba energije celotnega sistema.
Termočleni
Termočleni imajo izjemno široko območje delovanja od -270 ° C do 1750 ° C. Združenje “Instrument Society of America” (ISA) opredeljuje številne tržno dostopne klasifikacije termočlenov po njihovih zmogljivostih. Vrste z oznakami E, J, K in T so termočleni iz osnovnih kovin za termočlene in jih lahko uporabljamo za merjenje temperatur od približno -200 ° C do 1000 ° C. Vrste S, R in B so termočleni iz plemenitih kovin in se lahko uporabljajo za merjenje temperature od okoli -50 °C pa vse do 2000 °C.
Termočleni za merjenje temperature uporabljajo dve kovinski zlitini, kot sta Alumel in Chromel. Takšni dve kovinski žici sta na enem koncu točkasto zvarjeni, na drugem koncu pa odprti. Električne karakteristike žic v zvarjeni točki so odvisne od temperature. V točki zvara se namreč ustvari napetost, ki jo lahko na odprtih priključkih izmerimo z voltmetrom. Napetost se povečuje in manjša sorazmerno s spremembami temperature. Termočleni pa so zelo nelinearni in za pretvorbo napetosti v temperaturo zahtevajo algoritme linearizacije.
Zvarjena točka dveh kovin pri termočlenu se imenuje vroči spoj, odprti konec pa hladni spoj. Temperatura se meri kot razlika med temperaturo vročega spoja in temperaturo prostora ali okolice, kjer se nahaja hladni spoj. Temperatura hladnega spoja se uporablja kot referenca za vroči spoj in se meri s pomočjo različnih tehnologij zaznavanja temperature.
Polno napetostno območje celotnega delovnega temperaturnega območja termoelementa je manj kot 100 mV, zato je potrebno visoko zmogljivo vezje za prilagajanje analognega signala. Na sliki 3 je prikazano tipično vezje s termoelementom. Termočlen je priključen na instrumentni sistem z EMI filtri za uporabo v industrijskem okolju. Na pozitivno in negativno napajanje je povezan prek uporov velikih vrednosti, da vezje zazna morebitne odprte sponke. Za prilagoditev signalov se lahko uporabijo ojačevalniki s samodejno nastavitvijo ničle zaradi nizke prednapetosti (offset) in izločanja motenj v skupnem načinu delovanja (CMR). Vezje za kompenzacijsko hladnega spoja je izvedeno z integriranim vezjem za prilagajanje oddaljene diode in je povezano z oddaljeno diodo, ki se nahaja na tiskanem vezju.
Polprevodniška tipala temperature v prostorih
Slika 3: Vezje za zaznavanje temperature s termočlenom
Številni proizvajalci polprevodnikov ponujajo senzorje na silicijevi osnovi. Ta integrirana vezja lahko kategoriziramo glede na to, kaj dobimo na njihovem izhodu, pa tudi glede na njihove logične, napetostne in serijske izhode. Senzorji na osnovi polprevodnikov pa poleg vsega vključujejo tudi številne uporabne funkcije, ki načrtovalcem sistemov omogočajo načrtovanje takšnih vezij, ki natanko ustrezajo zahtevam vsake posamezne aplikacije. Temperaturni senzorji v obliki integriranih vezij zahtevajo res minimalni trud pri načrtovanju sistemov, integrirane funkcije pa lahko zmanjšajo celotne stroške sistemov in vložen napor in čas za njihovo načrtovanje.
Integrirana vezja za prilagoditev oddaljeno priključenih diod
Omenil sem že, da se v računalniški in strežniški industriji integrirana vezja za prilagoditev oddaljeno priključenih diod uporabljajo že dolgo vrsto let. To je preizkušena tehnologija, ki pa je bila v ostalih pomembnih aplikacijah premalo izkoriščena, saj ponuja možnost znatnih prihrankov pri stroških in izboljšavo izdelkov z uporabo številnih integriranih funkcij.
Integrirana vezja za prilagoditev oddaljeno priključenih diod nadzirajo spremembo Vbe zgornjega PNP tranzistorja, na procesorju, grafični procesorski enoti (GPU) ali pa na standardni diodi, ki je povezana z NPN tranzistorjem. Ena od prednosti uporabe standardnega industrijskega NPN tranzistorja je ta, da je v večjih količinah strošek tranzistorja skoraj zanemarljiv. V aplikacijah, kjer je treba natančno nadzorovati več temperaturnih con hkrati, lahko to s strani stroškov pomeni znatne prihranke.
Na sliki 4 so prikazane tipične povezave diod z Microchipovim MCP9904 za NPN in PNP tranzistorje. V obeh primerih MCP9904 poganja dva toka različnih jakosti in meri Vbe napetost tranzistorja. Ti tokovi tečejo od priključka DP in se vrnejo na priključek DN. Z upoštevanjem razlike v napetosti Vbe lahko potem temperaturo izračunamo z enačbo 1. Podrobnejšo razlago te enačbe lahko najdete na Microchipovi spletni strani v opisu primera aplikacije z oznako AN10.14 – “Uporaba temperaturnih senzorskih diod z daljinskimi termičnimi senzorji”.
-
- Enačba 1: Enačba za izračun temperature na oddaljeni diodi
-
- Enačba 2: Razmerje med tranzistorskim baznim in kolektorskim tokom
-
- Enačba 3: Enačba serijske upornosti
PNP tranzistor je povezan s priključkoma DP1 in DN1. Oba toka sta vsiljena v emitor tranzistorja, vrneta pa se prek baze PNP tranzistorja, ko je emiter ozemljen. V tej konfiguraciji je povratni tok omejen z beta (ojačenjem) tranzistorja, (glej enačbo 2), kar povzroča omejitve pri praznjenju filtrskega kondenzatorja, ki je povezan med DP in DN. Zaradi tega je priporočljivo uporabiti NPN tranzistor, razen če ta možnost res ni na voljo, na primer pri vgrajenih vertikalnih PNP tranzistorjih v GPU/CPU.
Na sliki 4 je prikazana tudi protiparalelna konfiguracija diode. To je v primeru, ko dve diodi povezani v tranzistorjih uporabljata iste zunanje priključke integriranega vezja. Sama zamisel kako to doseči je povsem razumljiva. V zgornjem primeru MCP9904 še vedno uporablja dve velikosti tokov da lahko določi temperaturo tranzistorja; vendar pa integrirano vezje obrne smer toka. V vsaki prevodni smeri posameznega toka je ena od diod izklopljena, “OFF” in ena vklopljena, “ON”. To integriranemu vezju za prilagajanje omogoča, da lahko spremlja več temperatur z manj fizičnimi zunanjimi priključki. Prednost je manjše ohišje in s tem nižja cena naprave. Omeniti je treba, da je v konfiguraciji NPN baza povezana s kolektorjem, povratna pot toka do priključka DN pa je iz emiterja tranzistorja. V tej konfiguraciji povratni tok ni odvisen od faktorja “beta” (ojačenja) tranzistorja, s čimer je omogočeno, da med priključkoma DP in DN uporabimo filtrske kondenzatorje z večjo kapacitivnostjo.
Integrirana vezja za prilagajanje signalov z oddaljenih diod imajo tudi številne uporabne integrirane funkcije, kot so izračun dinamičnega povprečja, korekcija serijske upornosti ter programirljiva opozorila in določanje temperaturnih meja, ki ju lahko določi uporabnik.
Slika 4: Tipične povezave MCP9904 z oddaljenimi diodami
Funkcija dinamičnega poprečenja nadomešča merjenje delta Vbe in poveča količino poprečenja, s čimer se zmanjšajo učinki induciranih motenj. V današnjem času ima veliko aplikacij tudi več lastnih virov, ki prav tako lahko povzročajo motnje pri meritvah Vbe signala. Če naštejemo le nekaj primerov: pretvorniki za osvetlitev ozadja ekranov, oscilator sistemskega takta, podatkovne in krmilne linije ter stikalni napajalniki. Treba je opozoriti, da sprememba Vbe napetosti za 250μV ustreza spremembi temperature za eno stopinjo Celzija.
Serijska upornost 1 Ohma bo ustvarila premik temperature za 0,656 oC v pozitivno smer. Če naštejemo le nekaj primerov serijske upornosti, so to upornost substrata, upornost priključkov, upornost povezav v vezju in upornost žice za merjenje temperature izven ploščice tiskanega vezja. Integrirana vezja za prilagajanje oddaljenih diod za merjenje temperature odpravijo tudi do 100 Ohmov skupne serijske upornosti tako, da vsilijo dva dodatna toka in izberejo takšno razmerje med njima, da se v enačbi popolnoma odpravi vpliv upornosti.
Več podrobnosti o tem najdete na spletnem mestu Microchip v aplikacijski dokumentaciji z oznako AN13.19 – “Resistance Error Correction”.
Funkcije z opozorili in nastavitev temperaturnih meja omogočajo gostiteljskemu mikrokontrolerju, da s pomočjo serijskega vmesnika v notranji register vnese vrednost za proženje ob določeni temperaturi, ki jo meri oddaljen polprevodniški temperaturni senzor. Ko je želena nastavljena vrednost temperature dosežena ali prekoračena, senzor sporoči krmilniku gostitelja, da je prišlo do stanja nad ali pod nastavljeno temperaturo. Ta funkcija se lahko uporablja tudi neposredno, na primer za vklop razsvetljave ali krmiljenje ventilatorja, pri tem pa ni potrebe, da bi mikrokontroler neprekinjeno nadziral temperaturo prek serijskega vmesnika. To povečuje fleksibilnost sistema že s tem, da je procesorski čas sproščen in lahko gostiteljski mikrokontroler neprestano nadzoruje sistem. Prav tako se znatno poenostavi razvoj programske in strojne opreme.
Povzetek
Različni temperaturni senzorji imajo različne prednosti in slabosti. Noben tip senzorja pa ni primeren za čisto vse aplikacije, kjer zaznavamo temperaturo. Podjetje Microchip v ta namen ponuja zelo uporabna izbrana orodja za pomoč razvojnikom pri izbiri najustreznejše rešitve za upravljanje s temperaturo. MAPS (Microchip Advanced Parts Selector) uporabniku omogoča, da vnese določene zahteve za potrebne funkcionalnosti izdelka, s tem pa se možnost izbire zoži le na najprimernejše Microchipove izdelke. MAPS lahko najdete na spletnem naslovu http://www.microchip.com/maps/.
Termistorji zagotavljajo uporabno in poceni rešitev za zaznavanje temperature v aplikacijah, ki delujejo v omejenem temperaturnem območju. RTD-ji so lahko zelo natančni v razponu do več 100 stopinj Celzija, vendar sta pri tem potrebna previdna izbira območja merjenja in kalibracija. Termočleni so najbolj uporabni pri aplikacijah, ko morajo temperaturni senzorji delovati v ekstremnih temperaturah. Vendar pa sta lahko rešitvi z RTD ali termočleni znatno dražji, kompleksni in s tem tudi mnogo bolj zahtevni za načrtovanje.
Polprevodniški temperaturni senzorji v integriranih vezjih in integrirana vezja za prilagajanje signalov z oddaljenih diod poenostavljajo načrtovanje, hkrati pa nudijo dokaj visoko natančnost v širokem temperaturnem območju. Poleg tega zagotavljajo tudi številne dodatne integrirane funkcije, ki izboljšujejo prožnost in zmogljivost sistema. Če zaključimo, je lahko izbira pravilne rešitve za izbor najprimernejšega senzorja temperature za določeno aplikacijo zapletena že zato, ker je na voljo cela vrsta razpoložljivih možnosti. Podjetje Microchip ponuja široko paleto izdelkov, ki zajemajo potrebe prav vsakega oblikovalca. V tem članku smo posebej proučili integrirano vezje za prilagajanje signala z oddaljenih diod in dobili dovolj tehtnih razlogov, zaradi katerih lahko ta vezja uporabimo kot učinkovito alternativo tradicionalnim rešitvam za zaznavanje temperature.
Reference:
- Microchip Technology Application Note #AN897, “Thermistor Temperature Sensing with MCP6S2X PGA”
- Microchip Technology Application Note #AN895, “Oscillator Circuits for RTD Temperature Sensors”
- Microchip Technology Application Note #AN1001, “IC Temperature Sensor Accuracy Compensation with a PIC® Microcontroller”
- Microchip Technology Application Note #AN1306, “Thermocouple Circuit Using MCP6V01 and PIC18F2550”
- Microchip Technology Application Note #AN10.14, “Using Temperature-Sensing Diodes with Remote Thermal Sensors”
- Microchip Technology Application Note #AN13.19, “Resistance Error Correction”
- American Society for Testing Materials
- www.astm.com
- National Institute of Standards and Technology
- www.NIST.com
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
