TMP01ESZ – temperaturowy kombajn firmy Analog Devices

Napięcie na wejściu SETHIGH jest równe:

VSETHIGH =TSETHIGH (˚C)+273,15)*5mV/˚C,

natomiast na wejściu SETLOW jest równe:

VSETLOW =TSETLOW (˚C)+273,15)*5mV/˚C.

Znając prąd IVREF, oraz napięcia VSETLOW i VSETHIGH możemy wyliczyć wartość rezystancji R1, R2 i R3 z rysunku 6:

R1=(VVREF-VSETHIGH)/IVREF =(2,5V-VSETHIGH)/IVREF

R2= (VSETHIGH- VSETLOW)/IVREF

R3=VSETLOW/IVREF

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

W części aplikacji stosujących termostaty cyfrowe duże znaczenie ma precyzja pomiaru temperatur (napięć) progowych i precyzja histerezy działania komparatora. Na błędy działania ma wpływ wiele czynników. Układ czujnika jest źródłem błędów pomiaru, ale jego dokładność w funkcji mierzonej temperatury jest znana i można próbować minimalizować wpływ błędów na wynik pomiarów. 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 i może to w pewnych warunkach być źródłem błędów.

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 temperatur, to trzeba zastosować rezystory ze stabilną rezystancją w funkcji temperatury. W skrajnych przypadkach może się okazać konieczne umieszczenie układu rezystorów poza układem czujnika mierzącego temperaturę w szerokim zakresie zmian.

W układach, w których płyną małe prądy istotne jest również właściwe zaprojektowanie obwodu drukowanego z prawidłowym prowadzeniem masy i rozmieszczeniem elementów.

Kolejnym istotnym czynnikiem jest szybkość pomiaru temperatury. Jeżeli temperatura zewnętrzna zmienia się z określona szybkością, a układ termostatu nie zdąży jej zarejestrować w wymaganym czasie, to nawet najlepiej zaprojektowany układ elektryczny na niewiele się zda. Trzeba sobie zdawać sprawę, że sensor zamknięty w plastikowej obudowie wymaga czasu, by zarejestrować zmianę temperatury. Dlatego znaczenie ma sprzężenie termiczne czujnika z powierzchnią mierzonej temperatury lub powietrzem otoczenia. Oczywiście nie należy umieszczać czujnika w pobliżu źródeł ciepła układu termostatu: stabilizatorów, wzmacniaczy, mikrokontrolerów itp.

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 maksymalnej wartości 20 mA, to w układzie wydziela się dodatkowa moc o wartości:

image008Przyrost temperatury wyliczymy z zależności:

image009Sterowanie wyjściem np. OVER może zawyżać pomiar o około 2oC. Można temu zapobiec przez przymocowanie (przyklejenie) układu do radiatora. Wtedy przyrost temperatury będzie wynosił około:

image010Jednak w tym przypadku na pewno zmniejszy się szybkość rejestracji zmian temperatury.

Dla przykładu załóżmy teraz, że histereza pomiaru będzie wynosiła 2˚C. Wtedy prąd wypływający z wyjścia VREF musi mieć wartość 17µA (wyliczyliśmy to już wcześniej). VSETHIGH ustawimy na 40˚C, a VSETLOW na 27˚C.

Wyliczamy VSETHIFG dla 40 ˚C i VSETLOW dla 27˚C:

VSETHIGH=(40+273,15)*0,005=1,56575V

VSETLOW=(27+273,15)*0,005=1,50075V

Następnie rezystory dzielnika:

R1=(2,5V-1,56575V)/0,000017= 54955Ω

R2=(1,56575V-1,50075)/0,000017=3824Ω

R3=1,50075/0,000017=88279Ω

Nasze wyliczenia można sprawdzić dodając R1+R2+R4=147058Ω. Z prawa Ohma:

147058Ω*0,000017A=2,499986V

Jak już wcześniej wspomniałem dość trudno będzie dobrać rezystory o takich wartościach z szeregu o tolerancji np. 1%. Żeby uzyskać takie wartości, trzeba wykonywać rezystory na zamówienie. Do celów testowych można wykorzystać rezystory stałe połączone szeregowo z potencjometrami montażowymi. Ja właśnie tak zrobiłem. Mój dzielnik został zbudowany z rezystorów stałych połączonych szeregowo z wieloobrotowymi precyzyjnymi potencjometrami o rezystancji 25kΩ jak pokazano na fotografii 7 i na rysunku 8.

Fot. 7. Precyzyjne potencjometry wieloobrotowe zastępują w testach precyzyjne rezystory
Fot. 7. Precyzyjne potencjometry wieloobrotowe zastępują w testach precyzyjne rezystory

 

Rys. 8. Schemat połączeń testowych
Rys. 8. Schemat połączeń testowych

Elementy dzielnika zostały przylutowane do listwy goldpinów i połączone z płytką ewaluacyjną za pomocą kabli z odpowiednimi końcówkami. Na tej samej listwie umieściłem dwie diody LED z rezystorami 1kΩ ograniczającymi prąd. Te diody zostały przeznaczone do sygnalizowania stanu wyjść OVER i UNDER.

Po ustawieniu z pomocą omomierza wyliczone wartości rezystorów R1, R2 i R3 połączyłem układ dzielnika z płytka ewaluacyjną i zasiliłem całość stabilizowanym napięciem +5V. W prawidłowo działającym układzie na wyprowadzeniu VREF powinno być napięcie +2,5V, a na wejściach VSETHIGH i VSETLOW wyliczone napięcia odpowiednio 1,565V i 1,500V. W praktyce bardzo trudno było ustawić dokładne wyliczone wartości rezystorów dzielnika. Jednak celem tego testu nie było uzyskanie bardzo dokładnych progów przełączania, tylko sprawdzenie idei działania. Po zasileniu układu wystarczyło lekko podgrzać układ przez dotknięcie palcem i zapalał się dioda podłączona do wyjścia sterowniczego UNDER. Przypomnijmy, że próg zdziałania w tym przypadku miał wynosić 27˚C. Drugi próg temperaturowy OVER uzyskałem umieszczając układ w pewnej odległości nad grotem rozgrzanej lutownicy.

Po zmierzeniu napięcia na wyjściu VPTAT wyszło mi, że próg przełączania wyjścia UNDER następował przy temperaturze +28˚C. Dla wyjścia OVER przełączanie następowało przy temperaturze +38˚C.

Test pokazał, że aplikowanie okienkowego termostatu z histerezą przełączania jest bardzo proste układowo. Wystarczą 3 rezystory i wszystko działa jak powinno. Z drugiej strony jeżeli zależy nam na dokładności, to musimy się liczyć, że niezbędne będzie zastosowanie rezystorów o nietypowych wartościach wykonanych z duża dokładnością. W przypadku produkcji wielkoseryjnej nie będzie z tym problemu. Producent układu podaje, ze może umieścić dla dużych zamówień precyzyjne rezystory wewnątrz struktury układu. Dla małej ilości sztuk można sobie poradzić tak jak ja to zrobiłem, czyli stosować rezystory stałe i dokładne wieloobrotowe potencjometry.

W dokumentacji układu TMP01 można znaleźć też gotowe rozwiązanie alarmu termicznego, który sygnalizuje obniżenie temperatury do poziomu +15˚C, lub podwyższenie do temperatury +35˚C – rysunek 9.

 

Rys. 9. Układ alarmu termicznego
Rys. 9. Układ alarmu termicznego

O autorze

Absolwent Wydziału Elektroniki Politechniki Wrocławskiej, współpracownik miesięcznika Elektronika Praktyczna, autor książek o mikrokontrolerach Microchip i wyświetlaczach graficznych, wydanych nakładem Wydawnictwa BTC.
Zawodowo zajmuje się projektowaniem zaawansowanych systemów mikroprocesorowych.