W artykule przedstawiamy jednoukładowy termometr – termostat TMP01, produkowany przez firmę Analog Devices. Układ ten dostrzegła m. in. redakcja Elektroniki Praktycznej, od której to można było otrzymać – w ramach Klubu Aplikantów Próbek KAP – bezpłatne moduły z tymi układami. Widok modułu dostępnego w KAP pokazano na fotografii 1.

Fot. 1. Moduł z układem TMP01ESZ, który był bezpłatnie dostępny w KAP Elektroniki Praktycznej

Rys. 2. Schemat blokowy układu TMP01

Schemat blokowy układu TMP01 pokazano na rysunku 2. Zasadniczym elementem TMP01 jest czujnik (sensor) temperatury. Na jego wyjściu pojawia się napięcie proporcjonalne do temperatury otoczenia układu. Napięcie wyjściowe VPTAT zmienia się z precyzyjnie kompensowanym współczynnikiem 5mV/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 korekcję struktury krzemowej promieniem lasera.

Na rysunku 3 pokazano zależność napięcia wyjściowego VPTAT od temperatury wyrażonej w jednostkach Kelvina, Celsjusza i Fahrenheita.

Rys. 3. Zależność napięcia pomiaru od temperatury

Czujnik jest zintegrowany z precyzyjnym źródłem napięcia odniesienia o wartości 2,5V. To napięcie odniesienia jest wyprowadzane na zewnątrz (wyprowadzenie VREF) i jest potrzebne do budowy 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. Napięcia na wejściach SET_HIGH i SET_LOW są ustawiane przez podział dzielnikiem rezystancyjnym wysokostabilnego napięcia referencyjnego VREF. Do wykonania dzielnika można użyć rezystorów stałych, lub dokładnych wieloobrotowych potencjometrów. Napięcie na wejściu SET_HIGH określa górną temperaturę działania termostatu, a napięcie na wejściu SET_LOW dolna temperaturę. Wyjścia komparatorów są połączone z tranzystorami pracującymi w okładzie otwartego kolektora (wyprowadzenia OVER i UNDER). Sposób działanie termostatu jest pokazane na rysunku 4.

Rys. 4. Działanie funkcji termostatu w układzie TMP01

Prąd płynący ze źródła referencyjnego powoduje wewnątrz struktury układu spadek na rezystancji ok 1kΩ i ten spadek określa wielkość histerezy – rysunek 5. Jeżeli wyjście komparatora nie jest aktywne, to obwód dodawania prądu IHSYS z lustra prądowego jest otwarty (sygnał zezwolenia nie jest aktywny).

Rys. 5. Podstawowa konfiguracja aplikacyjna TMP01

Po przekroczeniu ustawionej temperatury na wejściu SET_x komparator ustawia na wyjściu stan aktywny („0”) i jednocześnie jest włączany (sygnał zezwolenia staje się aktywny) układ dodawania prądu na wyprowadzeniu VREF (IHSYS).

Na wejściu nieodwracającym komparatora jest podane napięcie z wyjścia układu pomiaru temperatury plus napięcie spadku na rezystancji 1 kΩ przy przepływie prądu z wyprowadzenia VREF. Wyjście komparatora jest w stanie aktywnym dla napięcia 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 zależności:

Ponieważ VREF=2,5V przy obciążeniu VREF rezystancją 357 kΩ, lub większą histereza jest wyłączona, bo prąd płynący przez obciążenie jest mniejszy od 7µA.

Ustawienie progów termostatu realizuje się poprzez prosty układ dzielnika rezystancyjnego. Obliczenia wartości tych rezystorów można wykonać w kilku krokach:

• określenie histerezy temperatury w ˚C,
• wyliczenie prądu histerezy IVREF w µA,
• określenie progów temperaturowych,
• wyliczenie wartości każdego z rezystorów dzielnika.

Prąd histerezy jest łatwo wyliczyć. Na przykład dla histerezy równej 2˚C IVREF= 2*5µA +7µA=17µA. Progi temperaturowe VSETHIGH i VSETLOW określa współczynnik 5mV/K = 5mV/(^oC+273,15), oraz napięcie 1,49V odpowiadające 25˚C. Na podstawie tych danych wyliczymy wartość rezystancji rezystorów dzielnika – rysunek 6.

Rys. 6. Konfiguracja ułatwiająca obliczanie rezystancji rezystorów dzielnika