سنسور دمای مدار مجتمع یا سنسور IC (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 8)

سنسور دمای مدار مجتمع یا به اختصار سنسور IC، یک قطعه الکترونیکی بسیار کوچک است که برای اندازه‌گیری دما طراحی شده است. این سنسورها معمولاً در قالب یک مدار مجتمع کوچک ساخته می‌شوند و در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی از جمله ترموستات‌ها، سیستم‌های کنترل دما، رایانه‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند. اینسنسورهای مدار مجتمع در واقع یک مبدل دما هستند، لازم به یاد آوری است که چهار نوع مبدل دما كه نسبت به ديگر مبدل­ ها رايج ­تر هستند، به ترتيب زير می‌باشند:

• ترموكوپل
• RTD
• سنسور ترميستور
• سنسورهای مدار مجتمع یا IC

در این مقاله می‌خواهیم  درباره سنسورهای مدار مجتمع صحبت خواهیم کرد.

سنسور دمای مدار مجتمع یا سنسور IC چیست؟

سنسور دمای مدار مجتمع (Integrated-Circuit Temperature Sensor) یا (IC) – که معمولاً تراشه نامیده می شود – از یک ماده نیمه رسانا به نام سیلیکون ساخته شده است که در آن اجزای الکترونیکی کوچکی به نام ترانزیستورها در داخل سیلیکون تشکیل شده و سپس با اتصالات لایه ای در بالای سطح سیلیکون به هم متصل می شوند.

هر یک از سه مبدل ترموكوپل، ترميستور و RTD داراي محدوديت­ هاي قابل توجهي هستند. خروجي ترموكوپل بسیار كوچك و به صورت غير خطي با تغییر دما، دچار تغيير مي ­شود و بايستي به نوعي مرجعی براي تصحيح اندازه ­گيري داشته باشد. تغييرات مقاومت در RTD متناسب با تغييرات دما است. اما اين تغييرات بسیار اندک هستند. و در نهايت در ترمیستور نیز خروجي به شدت، غير خطي است.

براي هركدام از اين معايب، بايد مدارات الكترونيكي افزود تا این محدودیت ها را از بين برد. اغلب اين مدارات مورد نياز، به صورت “مدار مجتمع” در دسترس مي­ باشند.

بنابراين قدم بعدي و منطقي اين است كه مدارات و اجزای سنسورهای دما را در مجموعه ای تجمیع كنيم. اين همان کاری است كه با سه سنسور مطرح شده در اين قسمت، انجام شده است. LM335، داراي خروجي 10 ميلي ولت در مقابل هر درجه كلوين مي ­باشد. LM34 نيز در برابر هر درجه فارنهايت 10 ميلي ولت توليد مي­ كند. AD592 داراي جريان خروجي معادل 1 ميكرو آمپر در برابر هر درجه كلوين مي ­باشد.

انواع سنسور کاربردی مدار مجتمع (IC)

سنسورهای دمای مدار مجتمع (IC) انواع مختلفی دارد در ادامه سه مدل از پر کاربردترین انواع این سنسور را بیان می کنیم و هر کدام به به اختصار شرح می‌دهیم:

• سنسور دمای LM335
• سنسور دمای LM34
• سنسورهای دمایی AD590 و AD592

سنسور دمای LM335

LM335 یک سنسور دمای بسیار پرکاربرد و محبوب است که به عنوان یک مدار مجتمع خطی طراحی شده است. این سنسور ولتاژی متناسب با دمای مطلق (کلوین) تولید می‌کند. به عبارت ساده‌تر، هر یک درجه افزایش دما، باعث افزایش 10 میلی ولت در خروجی سنسور می‌شود.

LM335 شبیه به يك ديود زنر حساس به دما مي ­باشد. زمانی که به صورت معكوس و در محدوده ولتاژ شكست، باياس مي­ گردد، خروجي آن برابر:

باید به خاطر داشت كه تنها تفاوت میان درجه كلوين و درجه سانتي گراد، آفست 273 درجه اي مي ­باشد، پس خروجي اين IC خواهد شد:

سه دامنه گوناگون موجود، در جدول زير ارائه شده است. باید به خاطر داشت كه هيچ یک از اين سه دامنه، با دامنه هاي ترموكوپل و RTD، قابل مقايسه نيستند:

شکل (1). دامنه سنسور دمای کلوین LM335

ساده ترين شكل مدار براي استفاده از LM335، در شكل زير نمایش داده شده است. به دلیل این که اين IC يك ديود زنر مي­ باشد؛ بايستي يك ولتاژ باياس معكوس و جريان زنر فراهم گردد:

شکل (2) ساده ترين شكل مدار LM335

اين جريان بايستي محدود به حد زير باشد:

آزمايش ­هایي که كارخانه سازنده بر روی IC انجام می دهد؛ در جريان يك ميلي آمپر صورت مي­ گيرد. اين انتخاب منطقي به نظر مي ­رسد، به این علت که در جريان­ هاي بالاتر، مشكل “خودگرمايي” كه از توان I_zV_z، ناشي مي­ گردد، بيش تر رخ می دهد. اما در جريان­ هاي كم تر از يك ميلي آمپر، دقت كاهش پيدا مي­ كند.

 

براي تعيين مقدار مناسب مقاومت سري با ديود زنر در شكل بالا، نخست، باید ولتاژ دو سر ديود در دماي نامي، محاسبه گردد و سپس:

براي دست یابی به نتيجه خطي، مهم است كه جريان بار، نسبت به جريان حداقلی خود كه از ديود زنر مي­ گذرد، كوچك تر باشد. بنابراين باید مطمئن شد كه جريان بار به صورت زیر، برقرار است:

نرخ خطي LM335، برابر 1 -/+ درجه سانتی گراد مي­ باشد. اما اگر بتوان حداکثر دقت در دامنه اندازه­ گيري مورد نظر را به دست آورد؛ نتیجه بسيار مطلوب خواهد شد. به صورت ايده آل، دماي صفر درجه سانتي گراد، ولتاژ صفر ولت را توليد خواهد نمود. در شكل زير، دو پتانسيومتر براي كاليبره نمودن مدار مشاهده مي ­گردد:

شکل (3) دو پتانسيومتر براي كاليبره نمودن مدار LM335

 

در ابتدا، پتانسيومتر تنظيم صفر، به گونه ­اي تنظيم می شود تا در سر میانی آن، 73/2- ولت داشته باشيم و پتانسيومتر 10 كيلو اهمي نيز در میان دامنه آن تنظيم مي ­گردد. سنسور در پايين­ ترين دما نگه داشته شده و پتانسيومتر تنظيم صفر، به نحوی تنظيم می شود تا خطا نصف شود. سپس سنسور را در بالاترين دماي قابل اندازه­ گيري قرار داده و پتانسيومتر 10 كيلو اهمي، جهت حذف نيمي از خطاي دامنه بالا، تنظيم مي­ گردد.

دوباره سنسور، در دو حد پايين و بالا قرار مي­ گيرد و تنظيمات مجددی، جهت حذف نيمي از خطاها صورت مي­ گيرد. باید در نظر داشت كه جهت كاليبراسيون، باید به سنسور، زمان و فرصت كافي داده شود تا در هر دماي جديدی که قرار می گیرد؛ پايدار گردد و پس از آن، پتانسيومترها تنظيم شوند. هم چنين بايد مطمئن شد كه R_zero در مقايسه با R_bias، به اندازه ای كوچك در نظر گرفته شود که تنظيم R_zero اثر خاصی بر روي I_z نگذارد.

خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا

سنسور دمای LM34

ولتاژ خروجي در سنسور دقيق دماي LM34، به صورت خطي، متناسب با درجه حرارت بر حسب فارنهايت است. که اين ویژگی، يك مزيت نسبت به سنسورهاي دما بر حسب كلوين مي­ باشد، به این علت که نيازي به کاهش مقدار ثابت زيادی از ولتاژ خروجي آن، جهت تبديل به فارنهايت نمي­ باشد.

اين IC، نيازي به كاليبراسيون خارجي نداشته و دقت  0.5 +/- فارنهايت در دماي معمولي اتاق و 1.5+/-  فارنهايت و در رنج كامل، 50 – تا 300+ فارنهايت توليد مي­ كند.

بهای پایین، امپدانس خروجي كم، خروجي خطي و كاليبراسيون ذاتي دقيق، استفاده از اين IC را جهت اندازه گيري و كنترل دما، بسيار ساده و آسان نموده است. اين IC تنها با يك منبع تغذيه و يا تغذيه دوبل، قابل استفاده مي ­باشد.

ميزان جريان مصرفي اين IC تنها 70 μA مي­ باشد و به همين دليل، اثر “خودگرمايي”، در آن بسيار كم بوده و در حد 0.2 فارنهايت در هواي ثابت و بدون حركت است.

سنسور LM34، داراي دامنه دمايي  50– تا 300+ فارنهايت مي­ باشد. در حالي كه سنسور دامنه دمايي LM34C ،-40 / +230 مي­ باشد.

اين IC در بسته هاي TO-46 و TO-92 و در نوع ترانزيستوري تولید شده است.

شکل (4). سنسور دماي دقيق فارنهايت LM34  

شکل (5). انواع موجود سنسور دماي دقيق فارنهايت LM34  

براي به کار گرفتن اين سنسور، مانند سایر سنسورهاي دمایي مدار مجتمع، بايستي آن ها را با استفاده از چسب و يا مواد مشابه به سطح مورد نظر متصل نمود. به این ترتيب، دماي اندازه ­گيري شده در حدود 0.02 فارنهايت، كم تر از دماي محيط خواهد بود. ساختار TO-46، ساختاری فلزي است و مي­ توان به سطح مورد نظر و در هر محیطی، لحيم نمود. كه در اين صورت باید، پايه V- كه به بدنه سنسور متصل است را به زمين مدار، متصل کرد.

در شكل (6)، دو نمونه از مدارهای كاربردي LM34، نمايش داده شده است. همان گونه که در قسمت (a) مشاهده مي­ شود، این کاربرد، ساده ترين روش استفاده است و به هيچ گونه بخش خارجي، نياز ندارد. خروجي اين مدار از 50 ميلي ولت تا 3 ولت تغيير مي­ كند كه اين مقدار، نشان دهنده دامنه دمايي آن سنسور، از 5 تا 300 درجه فارنهايت مي ­باشد.

اگر دماي مورد نظر، زير صفر درجه فارنهايت باشد، بايد از تغذيه منفي نيز استفاده کرد. اين مدار در قسمت (b) شكل (6) نشان داده شده است. در اين مدار، 300 درجه فارنهايت، توليد 3 ولت و 50- درجه فارنهايت، توليد 500- ميلي ولت مستقيم مي ­نمايد. گاهی اوقات لازم است تا سنسور دما را چندين سانتي متر دورتر از مدارات الكترونيكي قرار دهيم، كه در اين صورت، بايد توسط دو سيم، سنسور را به مدار متصل کرد. باید توجه داشت که سيگنال برگشتي توسط سنسور، بايستي جريان باشد و نه ولتاژ. اين موضوع، اثر مقاومت سري سيم­ ها را برطرف مي­ نمايد. شكل هاي زير نشان گر اين مطلب مي ­باشد.

شكل (d) براي مواقعي كه نياز است، سنسور به زمين متصل شود به كار گرفته مي شود. در هر دو مدار، ولتاژ خروجي جريان I_T را توليد مي­ كند. اين جريان با جريان غيرفعال باياس كه براي تحريك سنسور 70 μA مورد نياز است؛ تركيب مي گردد (I_Q+  I_T) و از طريق سيم به هم تابيده، مي­ گذرد:

جريان باياس I_Q از طريق پتانسيومتر 50 كيلو اهمي و I_T از طريق مقاومت 499 اهمي از مدار، مي­ گذرد. باید توجه داشت، در موردي كه سنسور، زمين شده است؛ بايستي ولتاژ خروجي را به صورت تفاضلي از +V و سيمي كه از سنسور برمي ­گردد، گرفت.

هم چنين بايد دانست كه ضريب حرارتي مقاومت 499 اهمي، تا حد امكان كم باشد. زیرا I_T  نه تنها با تغييرات V_T تغيير مي­ كند بلكه با تغييرات اين مقاومت در اثر گرما نيز تغيير مي­ كند.

شکل (6). دو نمونه کاربردی از سنسور دماي دقيق فارنهايت LM34  

سنسور دماي LM35، نيز براي درجه مقیاس دمایی سانتي گراد به كار مي ­رود و از نقطه نظر مشخصات كاري، به صورت بسیار دقیقی شبيه به سنسور LM34 مي­ باشد.

سنسورهای دمای AD590 و AD592

اگر نياز به انتقال سيگنال به يك فاصله به نسبت طولاني باشد؛ سيگنال، جرياني متاثر از اثر مقاومتي سيم نخواهد بود. در اين صورت AD590 يا AD592 از Analog Devices ممكن است انتخاب بهتري نسبت به LM34 كه خروجي آن ولتاژ است؛ باشد. جريان خروجي اين مدارات مجتمع، براي درجه سانتي گراد و كلوين برابر است با:

دقت AD590 در حدود 0.5 +/- درجه سانتی گراد در محدوده دامنه دمايی از 55 – تا 150+ درجه سانتی گراد مي ­باشد.

اما قيمت AD592 پایین تر بوده و دامنه دمايی آن از 25- تا 105+ درجه سانتی گراد مي­ باشد و دقت  0.5+/- درجه سانتی گراد فقط در محدوده دمايي از 25+ تا 105+ درجه سانتی گراد مي­ باشد و ميزان خطي بودنش نیز 0.2 درجه سانتی گراد در محدوده 0 تا 70 درجه سانتی گراد مي­ باشد.

نمونه اي از مدارات كاربردي AD590 و AD592، در شكل­ هاي زير نشان داده شده است:

 

شکل (7). نمونه اي از مدارات كاربردي AD590 و AD592

 

در قسمت (a) يك پتانسيومتر به تنهايي جهت تبديل جريان به ولتاژ استفاده شده است. اين پتانسيومتر مي­ تواند عمل كاليبراسيون را انجام دهد و بايد مطمئن شد كه پتانسيومتر براي مهم ترين دماي مورد نظر، تنظيم شده است.

اين سنسورها نيز شبيه به سنسور LM335،  دماي مطلق را اندازه گيري مي ­نمايند. که یعنی اگر دمای با درجه سانتي گراد و يا كلوين مورد نیاز باشد، مقدار زيادي ولتاژ آفست وجود خواهد داشت. براي از بين بردن اين مشکل مي توان از يك پتانسيومتر تنظيم صفر، استفاده کرد. شكل بالا قسمت (b) طريقه نصب آن را در مدار نشان مي­ دهد.

سخن پایانی

سنسورIC یا سنسور دمای مدار مجتمع یکی از انواع مبدل‌های دما میباشد که جهت اندازه گیری دما مورد استفاده هستند،سنسور دمای LM335، سنسور دمای LM34 و سنسورهای دمای AD590 و AD592 از سنسورهای IC پر کاربرد می باشند. سنسور دمای LM335 ولتاژی متناسب با دمای مطلق (کلوین) تولید می‌کند و سنسور دمای LM34 هر درجه فارنهایت افزایش دما، باعث افزایش 10 میلی ولت در خروجی آن می‌شود. AD590 و AD592 دو نوع سنسور دمای بسیار دقیق و پرکاربرد هستند، این سنسورها به دلیل دقت بالا، پایداری در درازمدت و خروجی خطی، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.