圖5(a)為采用MSCl200的多熱電偶用自主型溫度測(cè)量應(yīng)用圖。該溫度測(cè)量電路采用混合信號(hào)控制器MSCl200來(lái)測(cè)量四種不同類型的熱電偶(Tc1-Tc4)的差分輸出電壓和參考溫度。MSCl200集成了具有22位有效分辨率的△∑型ADC、通用型輸入多路轉(zhuǎn)換器、可選輸入緩沖器和增益調(diào)節(jié)范圍為1-128的可編程增益放大器(PGA) ,見圖5(b)所示。該器件包括片上溫度傳感器、快閃存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器以及改良型8051-CPU(在功耗相同的情況下，其運(yùn)行速度可達(dá)最初標(biāo)準(zhǔn)版本的3倍)。片上電流數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(1-DAC)可提供至RTD和熱敏電阻的激勵(lì)電流。其MSCl200混合信號(hào)控制器內(nèi)部框圖見圖5(b)所示。
2.41 集成電流源為實(shí)現(xiàn)傳感器燒毀檢測(cè)創(chuàng)造了條件
從圖5(a) 可分析,在熱電偶定位較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，輸入RC低通濾波器將消除差分和共模噪聲(當(dāng)在噪聲環(huán)境中工作時(shí)，熱電偶的導(dǎo)線有可能拾取這些噪聲)。對(duì)于不同類型的熱電偶，有可能需要采用不同的PGA(可編程增益放大器)設(shè)置以減小模擬輸入阻抗。低輸入阻抗可導(dǎo)致補(bǔ)償電流流過(guò)熱電偶。這些電流會(huì)擾亂電子密度(塞貝克效應(yīng)正是因此而產(chǎn)生的)，從而在熱電偶輸出端給出錯(cuò)誤的熱電勢(shì)讀數(shù)。為了始終提供某些GW(增益寬帶)的高輸入阻抗，必須啟動(dòng)輸入緩沖器。然而，這將把輸入共模范圍降至比模擬地高50mV，而比正模擬電源低1.5V。為了確保熱電偶信號(hào)處于該范圍之內(nèi)，應(yīng)通過(guò)10k-100kΩ(見圖5(a)中RLIN)電阻器來(lái)給每個(gè)輸入施加偏置電壓。該偏置電壓由精密電壓基準(zhǔn)電路REF3112來(lái)提供，它具有0.2%的初始誤差和15ppm/℃的溫度漂移。
2.42冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償
從圖5(a)可知,冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償(CJC)是通過(guò)由AINCOM引腳(圖5(a)下端)讀出線性化熱敏電阻電路兩端的輸出電壓來(lái)完成的。
輸入多路轉(zhuǎn)換器的通用性使得能夠?qū)⒕彌_器的正輸入和負(fù)輸入分配至任何模擬輸入引腳。因此，為了對(duì)參考溫度進(jìn)行差分測(cè)量，需將一個(gè)緩沖器輸入連接至AINCOM而將另一個(gè)輸入連接至任何熱電偶的“低端”輸入(AIN1、3、5或7)。然而，一旦選擇了某個(gè)輸入，則參考溫度的所有后續(xù)差分測(cè)量都必須以同一個(gè)“低端”輸入為基準(zhǔn)。如果MSCl200靠近等溫部件且基于所需的準(zhǔn)確度，則片上MSCl200的溫度傳感器可被用于CJC。
2.5采用INA330來(lái)進(jìn)行熱電冷卻器的恒溫控制
圖6為該恒溫控制電路。其1NA330 是專為在光網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)學(xué)分析應(yīng)用中進(jìn)行熱電冷卻器(TEC)控制而設(shè)計(jì)的精密型放大器,它專為在基于10kΩ熱敏電阻的溫度控制器中使用而進(jìn)行了優(yōu)化。 INA330提供熱敏電阻激勵(lì)，并生成與施加在輸入端上的電阻差成比例的輸出電壓。它只采用了一個(gè)精密電阻器(RSET)和熱敏電阻(圖6左側(cè)帶箭頭的 RTHERM =10kΩ)，因而為傳統(tǒng)的橋式電路提供了一種替代方案。這種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)免除了增設(shè)兩個(gè)精密電阻器的需要，同時(shí)保持了適合于溫度控制應(yīng)用的絕佳準(zhǔn)確度。 INA330在產(chǎn)品的使用壽命期限內(nèi)始終提供了優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和非常低的1/f噪聲。低失調(diào)使得-40℃至+85℃范圍內(nèi)的溫度誤差僅為0.009℃。
從圖6 左上可見,施加在輸入端V1和V2上的激勵(lì)電壓將產(chǎn)生流經(jīng)熱敏電阻(RTHERM)和精密電阻器(RSET)的電流I1和I2片上電流輸送電路產(chǎn)生的輸出電流為Io=I1-I2。該流經(jīng)外部增益設(shè)定電阻器(RG)的輸出電流在外部進(jìn)行緩沖，并出現(xiàn)在Vo引腳上。任何加至RG另一端的偏置電壓都將與輸出電壓相加，因此，Vo=Io·RG+VADJUST.該輸出電壓將饋送至PID控制器，這個(gè)控制器向采用橋接負(fù)載配置的TEC驅(qū)動(dòng)器提供輸入電壓。兩個(gè)運(yùn)算放大器(OPA569)為CMOS型、單電源放大器，可在采用3V電源的情況下提供高達(dá)2A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流。
在本應(yīng)用中，受控溫度由DAC來(lái)設(shè)定。如果TEC的溫度升至設(shè)定溫度以上，則TEC電流將單向流動(dòng)，以進(jìn)行冷卻。如果溫度降至設(shè)定點(diǎn)以下，則電流方向反轉(zhuǎn)， TEC發(fā)熱升溫。圖中的虛線表示從TEC至熱敏電阻的閉環(huán)熱反饋。兩者雖然從機(jī)械上來(lái)講是安裝在一起的，但在電氣上卻是相互隔離的。
數(shù)字溫度傳感器
TMP75 和TMPl75是二線式、串行輸出溫度傳感器,其內(nèi)部組成框圖見圖7(a)所示。這些器件無(wú)需使用外部元件，并能夠以0.0625℃的分辨率來(lái)顯示溫度讀數(shù)。二線式接口與SMBus兼容，從而允許TMPl75在一根總線上連接多達(dá)27部設(shè)備(而TMP75則最多可在一根總線上連接8部設(shè)備)。這兩款器件均具有SMBus報(bào)警功能，是工業(yè)環(huán)境中常見的擴(kuò)展溫度測(cè)量應(yīng)用(見圖7(b)所示)的理想選擇。
3.1主要特點(diǎn)
*27個(gè)地址(TMPl75)
*8個(gè)地址(TMP75)
*數(shù)字輸出：二線式串行接口
*分辨率：9至12位，用戶可選
*準(zhǔn)確度：
±1.5℃(最大值)，在25℃至+85℃范圍內(nèi)
±2.0℃(最大值)，在40℃至+125℃范圍內(nèi)
*低靜態(tài)電流：50µA，0.1µA(待機(jī)狀態(tài)下)
*寬電源范圍：2.7V至5.5V
*封裝型式：SO-8
3.2應(yīng)用范圍
*電源溫度監(jiān)視
*電腦外設(shè)熱保護(hù)
*恒溫器控制器
*環(huán)境監(jiān)控和HVAC
4、用熱敏電阻與風(fēng)扇控制器集成電路(IC)組合解決控制大功率電路的散熱方案
*大功率電路的散熱問題
投影儀、大功率電源、數(shù)據(jù)通訊交換機(jī)和路由器等設(shè)備的散熱是一個(gè)值得考慮的問題。這些應(yīng)用功耗極大,使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要用風(fēng)扇來(lái)冷卻電子元件。如果吹向元器件的氣流等于或小于每分鐘六到七立方英尺(CFM)即可滿足冷卻要求,那么直流無(wú)刷風(fēng)扇將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
*利用帶微處理器的電路或獨(dú)立風(fēng)扇控制器集成電路(1C)驅(qū)動(dòng)和控制直流無(wú)刷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的選擇。
如果應(yīng)用中有多個(gè)風(fēng)扇, 則基于單片機(jī)的系統(tǒng)是最佳電路方案。借助這一單芯片方案和為數(shù)不多的外部元件,即可經(jīng)濟(jì)地對(duì)各種環(huán)境下的所有風(fēng)扇及溫度進(jìn)行控制。對(duì)于單一風(fēng)扇的電路,獨(dú)立風(fēng)扇控制器IC是最佳選擇.獨(dú)立IC具備故障檢測(cè)電路,當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)通知系統(tǒng),從而切斷系統(tǒng)的耗電部分。獨(dú)立IC的風(fēng)扇故障檢測(cè)電路能夠抗干擾，可確保將假警報(bào)濾除。采用NTC熱敏電阻或片上的內(nèi)部溫度傳感器，即可將這種電路用于遠(yuǎn)程溫度傳感,具有很好的經(jīng)濟(jì)性。這種電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可檢測(cè)雙線風(fēng)扇的故障,雙線風(fēng)扇比三線風(fēng)扇更加便宜。
*風(fēng)扇的激勵(lì)、溫度監(jiān)測(cè)以及風(fēng)扇噪聲是設(shè)計(jì)中的三個(gè)主要問題
如果不考慮所采用的電路類型,當(dāng)風(fēng)扇的位置確定下來(lái)后,應(yīng)對(duì)三個(gè)主要的設(shè)計(jì)問題加以考慮,分別為：風(fēng)扇的激勵(lì)、溫度監(jiān)測(cè)以及風(fēng)扇噪聲。
圖8所示為利用獨(dú)立IC驅(qū)動(dòng)雙線風(fēng)扇的電路。此電路中, 風(fēng)扇控制器集成電路TC647B的作用是根據(jù)NTC熱敏電阻上傳感的溫度改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。TC647B還可檢測(cè)風(fēng)扇運(yùn)行,并顯示風(fēng)扇何時(shí)發(fā)生了故障。
無(wú)刷直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可通過(guò)兩種方法控制,即線性改變風(fēng)扇電壓或?qū)﹄妷哼M(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)。圖8中TC647B利用PWM波形驅(qū)動(dòng)晶體管Q1的基極,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電壓。
改變PWM波形的脈寬可提高/降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。利用脈寬調(diào)制法控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，效率比線性調(diào)整法高。
通過(guò)圖8 可獲得工作于PWM模式下，RSENSE兩端和SENSE引腳上的電壓。檢測(cè)電阻RSENSE上的電壓既有直流成分，又有交流成分。交流電壓是由風(fēng)扇電機(jī)繞組上電流換相產(chǎn)生的.RSENSE上的瞬時(shí)電壓通過(guò)CSENSE耦合到TC647B的SENSE引腳。這樣就除去了檢測(cè)電阻上電壓的直流成分。 SENSE引腳上接有一個(gè)10KΩ的內(nèi)部接地電阻,該引腳可檢測(cè)電壓脈沖,并將風(fēng)扇的運(yùn)行情況傳送給TC647B。如果SENSE 引腳在一秒鐘內(nèi)未檢測(cè)到脈沖，TC647B即顯示出現(xiàn)了故障。
*熱敏電阻RNTC與TC647B連接的三種方案。見圖9(a)(b)(c)所示
利用一種廉價(jià)的方案, 如一只熱敏電阻,即可方便地測(cè)量出溫度。熱敏電阻具有快速、小巧、輸出范圍寬等特點(diǎn)，且只需一個(gè)雙線接口。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，熱敏電阻與TC647B的距離可以較遠(yuǎn),從而使布局更加靈活。盡管熱敏電阻不是線性的，但可在一個(gè)較小的溫度范圍內(nèi)(+25℃)進(jìn)行線性化處理，如圖9(a)(b)所示。線性化處理和電平變化是利用標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻R1和R2實(shí)現(xiàn)的。圖9熱敏電阻RNTC與TC647B連接是采用為圖9(C) 所示-具備電平變化功能的分壓電路形式。
盡管分立電路或單片機(jī)方案均可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙線風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行與溫度成正比的控制和風(fēng)扇故障檢測(cè), 但設(shè)計(jì)者還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。TC647B是一枚開關(guān)模式雙線無(wú)刷直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器。脈寬調(diào)制(PWM)是用來(lái)控制與熱敏電阻的溫度相關(guān)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的。風(fēng)扇的最小轉(zhuǎn)速可通過(guò)連接到VMIN的簡(jiǎn)單電阻分壓器來(lái)設(shè)置。利用集成的啟動(dòng)定時(shí)器確保電機(jī)通電時(shí)能可靠啟動(dòng)、從關(guān)斷模式恢復(fù)，或在瞬時(shí)故障后能自動(dòng)重啟風(fēng)扇。
由于TC647B采用了Microchip的FanSense(風(fēng)扇撿測(cè))技術(shù)，提高了系統(tǒng)可靠性。
5、結(jié)束語(yǔ)
上述介紹的常用溫度傳感器的分類及溫度傳感器的智能化，即工業(yè)過(guò)程與檢測(cè)的溫度測(cè)量電路，它們是實(shí)用技術(shù)的一部分，究竟采用何種？是要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的情況作出選擇。
參考文獻(xiàn)：
TEXAS INSTRUMENTS Technology for Innovators first quarter.2005.
2、ANALOG FOR THE DIGITAL AGE 2004 Microchip Technology Inc.
