Alternatív megoldás szenzorok ellenállás-kompenzációjára
A diódák nyitókarakterisztikájának hőmérsékletfüggését gyakran használják hőmérséklet-érzékelésre. A megvalósítást zavarja az érzékelődiódát csatlakoztató vezeték ellenállása. A hiba korrekciójára az ellenállást is figyelembe vevő számításokon kívül automatikus működésű, kifejezetten ellenálláshiba-kompenzált hőmérsékletszenzorok használhatók.
A rendszertervező mérnökök gyakran kényszerülnek arra, hogy hőmérséklet-érzékelő diódák soros ellenállásának hatását kompenzálják. Léteznek azonban szenzorok – egyebek közt a Microchip választékában is –, amelyek saját ellenálláshiba-kiegyenlítő tulajdonsággal rendelkeznek, és ez szükségtelenné teszi a kompenzáció megvalósítására tett további erőfeszítéseket.
1. ábra Egy tipikus hőmérsékletmérő-rendszer tömbvázlata
Az 1. ábrán egy tipikus rendszer látható, amelyben egy – az elektronikus egységtől távol elhelyezett – diódaként kapcsolt tranzisztort használunk hőmérséklet-mérési célra.
Egy tipikus hőmérséklet-érzékelő két fix áramértéket (a 2. ábrán IF1 és IF2) kapcsol a hőmérsékletmérő-diódára. Ezeknél a fix áramértékeknél méri meg a szenzor elektronikája a nyitóirányú feszültség (VF) értékét. A 2. ábrán a DP és DN csatlakozópontok között mért feszültség a távoli elhelyezésű, diódakapcsolású tranzisztor VBE feszültségével azonos.
A hőmérséklet meghatározását a kétféle áramgenerátor bekapcsolásakor mérhető VF2 és VF1 feszültség különbségéből határozzuk meg (VF2 ‑ VF1 = ΔVBE) a következőképpen:
, ahol k a Boltzmann-állandó [J/K], T az abszolút hőmérséklet [K], q az elektron töltése [As], és η a dióda ideális diódának való megfelelőségét kifejező (0 < η < 1) tényező. Mivel az egyenletben a VF2, a VF1 és a T kivételével minden mennyiség állandó, a (VF2 ‑ VF1) különbség tehát a hőmérséklet lineáris függvénye.
2. ábra Két áramgenerátor
Pozitív hőmérsékleti ofszethiba
Egy valóságos alkalmazásban a DP csatlakozóponttól a dióda pn-átmenetéig, majd innen a DN csatlakozópontig nullától különböző soros ellenállás mérhető. Ennek forrása a tranzisztorkivezetések, a nyomtatott áramköri fólia és egyéb közbeiktatott szerkezeti elemek (például csatlakozók) ellenállása. A hőmérsékletmérő áramkör tömbvázlata (3. ábra) mindezek eredőjét egyetlen RS ellenállássá összevonva ábrázolja.
Ha a rendszerben jelen van a soros ellenállás is, a DP és DN pontok közötti VF -feszültség többé már nem azonos a VBE-vel, hanem ehelyett a VF = VBE + (IF RS) kifejezést kell alkalmaznunk. Ez tehát azt jelenti, hogy az RS jelenlétében a valódi hőmérsékletnél magasabb értéket mérünk, másképpen szólva az RS pozitív ofszetfeszültség-hibát okoz. A hőmérséklethiba értéke
Ez például (amennyiben a hőmérsékletmérést egy rendszer üzemi hőmérsékletének mérésére használjuk) azt is jelentheti, hogy a vizsgált rendszer a valóságban még a megengedett tartományban van, miközben a mért érték a soros ellenállásból eredő pozitív ofszet miatt látszólag átlépi az üzemi hőmérséklet-tartomány maximális hőmérsékletét – és ezért például hamis hibajelzés keletkezik.
3. ábra A hőmérsékletmérő áramkör tömbvázlata
A soros ellenállás számszerű hatása
Annak érdekében, hogy szemléletesen láthassuk a soros ellenállás miatt keletkező ofszethiba mértékét, végezzünk el egy számítást reális értékek feltételezésével. Tételezzük fel, hogy IF1 = 10 µA és IF2 = 170 µA. A soros ellenállás egy tipikus értéke (egy processzor adatlapja alapján) 3 Ω. Ezekkel az adatokkal, a korábbi egyenleteket felhasználva, a számítás részletezése nélkül 1,18 K hőmérsékleti hiba adódik.
A távoli elhelyezésű hőmérsékletmérő dióda gyakran NyÁK-vezetősávokkal csatlakozik a hőmérsékletmérő elektronikus egységéhez. Bizonyos rendszerekben előnyösebb megoldás lehet a soros ellenállás miatti hibát egy állandó ofszetérték kivonásával kompenzálni. Ez viszont azt jelenti, hogy minden egyes példány gyártásakor egy egyedi ofszetértéket kellene kiszámítani, mivel a NyÁK-sávok ellenállása példányonként változik a sáv méreteitől, a forraszanyag mennyiségétől stb. függően. Ez egyben azt is jelenti, hogy a firmware is változtatásra szorul, amelyet az egyedi kompenzációs igény nélkül nem lenne szükséges megváltoztatni. További nehézséget okoz, hogy a NyÁK-sávok ellenállása hőmérsékletfüggő is, azaz miközben a hőmérséklet 20 °C-ról 60 °C-ra növekszik, a soros ellenállásérték 30%-kal változik meg. Ezek a kis hibaösszetevők már nem hanyagolhatók el, ha ±1 °C pontosságú mérőeszközt készítünk. A felsorolt hibák kezelését egy automatikus hibakorrekcióval ellátott elrendezéssel lehet megoldani.
Az ellenálláshiba korrekciója
Az ellenálláshiba korrekciójával ellátott hőmérsékletszenzorokat egy mikrovezérlő beépített frontend-elemeivel is meg lehet valósítani. Az ellenálláshiba-korrekció egy ilyen rendszerben automatikus folyamat, amely akár 100 Ω nagyságú soros ellenállás hatását is képes kompenzálni.
Összegzés
Az ellenálláshiba kompenzálására képes hőmérséklet-érzékelők – amelyek például a Microchip kínálatában is megtalálhatók – automatikusan kiküszöbölik a soros ellenállásból adódó hőmérséklet-mérési hibákat, amelyek minden ilyen rendszerben jelen vannak. A Microchip a legkülönbözőbb alkalmazásokban használható hőmérséklet-érzékelők egész családját forgalmazza. A választékban néhány javított változat – mint például az érzékelőtranzisztor áramerősítésének és az ideális pn-átmenetnek való megfelelőségének (η) szórását kompenzáló megoldás – is elérhető. Ezenkívül néhány eszközt kifejezetten a mikroprocesszorokba épített hőmérséklet-érzékelő diódákkal való használatra terveztek.
www.microchip.com
Wayne Little, vezető alkalmazástechnikai mérnök ‑ Microchip Technology Inc.
Még több Microchip
Címkék: hőmérséklet | szenzor | dióda
