温度センサプロジェクト:デジタル温度センサIc

温度センサプロジェクト:デジタル温度センサIc

デジタル温度センサは、マイクロコントローラやその他のロジックデバイスに高精度の温度読み取りを測定して入力する最も簡単な方法を提供します。 この温度センサシリーズの前回の記事では、アナログ温度センサを見てきました。 これらは、単純なADCの読み取り値を取るだけで実装が簡単に見えるかもしれませんが、最も正確な測定を得るためには、生産中に各デバイスのADCを較正する必要がありますが、これは必ずしも実現可能ではありません。 この記事では、いくつかの異なるデジタル温度センサオプションを紹介します。 デジタル温度センサは、一般的に、単純なアナログ温度センサよりも高価になります。 しかし、これらのデバイスを使用した生産の容易さと利便性は、高レベルの測定精度が必要な場合には、追加コストを価値のあるものにすることが

デジタル温度センサーは、このシリーズで検討しているセンサーの第五のタイプです。 私たちは、私たちは彼らの機能、精度、および動作を比較することを可能にするために、環境条件の広い範囲にわたって頭のコンテストに頭の中でお互いにテストしてきたすべてのセンサーをピットされる最後の記事で、このシリーズを締結します。 私たちは、標準的な温度センサカード用のテンプレートのセットを構築した入門記事でシリーズを始めました。 アナログおよびデジタル版は両方中二階のコネクターの使用によって積み重なるか、またはエッジコネクターから独自に読むことができる。 これにより、単一のセンサーからデータを読み取り、その機能を検証したり、ボードのスタック全体を読み取ったりして、すべてのセンサーからデータを一緒にログ

このシリーズでは、さまざまな温度センサを見て、その長所と短所、および実装の一般的なトポロジについて説明します。 シリーズは次のセンサーのタイプをカバーする:

• 負温度係数(NTC)サーミスタ
• 正温度係数(PTC)サーミスタ
• 抵抗温度検出器(RTD)
• アナログ温度センサIc
• デジタル温度センサIc
• 熱電対

私のプロジェプロジェクト、回路図、および他の温度センサーの実装と一緒にgithub上のボードファイル。 このプロジェクトはオープンソースのMITライセンスの下でリリースされており、デザインやその一部を個人または商業目的で使用することができます。

デジタル温度センサIc

マイクロコントローラまたは他のロジックデバイスを使用して温度センサからの出力を読み取ることだけに興味があると その場合、デジタル温度センサーは電気的に実装する最も簡単なオプションです。 デジタル温度センサは、検出、補償、および変換のすべてがオンチップで行われるため、優れたレベルの精度を提供できます。 マイクロコントローラのADC（または外部ADC）を校正する必要はありません。 また、アナログ温度センサーとマイクロコントローラ間の接続に取り付けられた近くのトレースやその他のデバイスからの電磁干渉を心配する必要はあ

このプロジェクトでは、さまざまな解像度と検出範囲の4つの異なるデジタル温度センサーオプションを実装します。

Name	MAX31826MUA+T	STS-30-DIS	EMC1833T	SI7051-A20-IMR
Type	Digital	Digital	Digital	Digital
Sensing Temp Min (°C)	-55°C	0°C	-40°C	-40°C
Sensing Temp Max (°C)	+125°C	+60°C	+125°C	+125°C
検知範囲	ローカル	ローカル	リモート	ローカル
分解能(ビット)
正確さ（°C）)	±0.5°C（+10°cへの+85°C) ±2°C（-55°Cへの125°C)	±0.2℃	±1°C(-20°c t+105°C) ±1.5°C(-40°c t+125°C) ±1.5°C(-40°c t+125°C) ±1.5°c)	±0.1℃
作動の臨時雇用者（°C)	-55°+125°CへのC	-40°+125°CへのC	-40°+125°CへのC	-40°+125°CへのC
関数	1 ワイヤバス、寄生電力	I2C	I2C、SMBus	I2C
最低の供給電圧	3 V	2.15 V	1.62 V	1.9V
最高の供給電圧（V)	3.7 V	5.5 V	3.6 V	3.6 V
消費電流(uA)	4 mA（低論理レベル読出し時）)	45 uAアイドル 1.5mA測定 Vdd*1。5アラーム	700 変換中のuA、 75uaスタンバイ	195 ナ
メーカー	マキシム-インテグレーテッド	センシリオン株式会社	マイクロチップ	シリコンラボ
パッケージ	8-MSOP	8-VFDFN	8-VDFN	6-DFN

私には、それは魅力的なセンサーだ、ので、私はEMC1833Tが含まれています。 それは部品のの中にあるセンサーを使用しないことを意味する遠隔温度の感知装置である。 代わりに、この場合はトランジスタである外部センサの出力をデジタル信号に変換することによって温度を感知します。 私たちが見ている他のセンサーにはあまり適合しないため、必ずしもこの「デジタル温度センサー」カテゴリに属しているかどうかはわかりません。 それでも、トランジスタは一般的に温度センサとして使用されているとしてよく知られていないので、私はそれをどこに置くか見当がつか このセンサーについて私を魅了するのは、ほぼすべてのトランジスタを使用して温度を測定できることです。 ASICを設計している場合は、この目的のために余分なトランジスタをダイに簡単に含めることができます。 その後、EMC1833Tなどのセンサーで読み取ることができるこのトランジスタを使用して、シリコンに複雑さを追加することなく、ダイ温度の外部測定を これを見る別の方法は、シリコンに特注のデジタル温度センサを設計および構築することに関連するエンジニアリングリスクを負うことなく、ダイの温度を監視できることです。

デジタルセンサーの実装:MAX31826MUA+T

最初に実装するセンサーは、Maxim Integratedによって製造されたMAX31826です。 このセンサは、より一般的なI2CまたはSPIバスではなく、1-Wireバス上で動作します。 潜在的な問題の1つは、プロジェクトのベースとなるマイクロコントローラによって1-Wireが通信プロトコルとして提供される可能性が低いことです。 しかし、これはビットバンに対する単純なプロトコルであり、センサを動作させるために2本のワイヤが必要であるという点で、より一般的な選択肢 電源を含め、I2Cは4本のワイヤを必要とし、SPIは5本のワイヤを必要とします。 これとは対照的に、1-Wireは寄生電力技術を使用してデータ・ラインから電力を供給できるため、ほとんどのアプリケーションでグラウンドとデータ・ラインのみを必要とします。 センサー内に内蔵されているコンデンサは、データラインがロー状態にある間にICの電源を維持できるため、ほとんどの通常の動作条件下で専用の電圧 これは利用できる非常に限られたスペースがある板のための非常に便利な解決である場合もある。

センサとその1-Wireバスのもう一つの興味深い特徴は、デバイスパッケージにインストールされている手動で選択可能なピンを使用してデバイスの4バイ これにより、各デバイスに固有のアドレスを与えることにより、単一の1-Wireデータバスに最大16個の温度センサを設置することができます。 これは、マイクロコントローラピンが不足していると同時に、多数の温度センサを使用した検出機能が必要な場合に非常に便利なオプションです。

このシリーズの前の記事で見たセンサーと比較して、MAX31826は高精度であるだけでなく、高解像度のデータも提供します。 センサーは+/-0を提供する。-10°C～+85°Cの間で5°cの精度、-55°C～+125°Cの全温度範囲で+/-2°Cの精度を備えています。すべてのセンサーの読み取り値は12ビット値として提供され、ほとんどのマイクロコントローラが提供するよりも高い分解能を備えています。

温度センサとして、MAX31826には多くの機能がありますが、ボーナス機能としてオンボードの1kB EEPROMも搭載されています。 金型には予備の部屋が残っていたと思います。 マイクロコントローラにeepromが内蔵されておらず、アプリケーションの構成データを保存する必要がある場合は、この温度センサを使用してください。 追加の不揮発性ストレージが必要な場合は、この温度センサーにより部品数が削減され、基板スペースが節約されます。

データシートでは、温度が100°Cを超える可能性がある場合に寄生バスパワーを使用するのではなく、デバイスに直接電力を供給することを推奨しています。

基板形状と一般的なレイアウトは、このシリーズの紹介で作成したプロジェクトテンプレートから来ています。 私たちは通常の通信バスのいずれかを使用していないので、私はボードから関連するネットとそのコンポーネントを削除しました。 それでも、私はこれが他の積み重ねられたセンサーのための問題を引き起こさないことを確実にするためにスタッキングコネクタの接続を残しました。 1-Wireバスでは、チップ選択ピンを使用してホストマイクロコントローラと通信するだけで済みます。

デジタルセンサー実装:STS-30-DIS

私は過去のプロジェクトでSensirionによって生成されたSTS-30-DISを使用しました。 これは、政府の報告目的のためにデータを収集するために必要な食品サービス会社のために開発された計測器であるために必要でした。 小さなフットプリント、広い電圧範囲、信じられないほどの精度、および線形化された16ビットデジタル出力により、正の温度検出のみが必要な場合、こ 氷点下の温度を検出する必要がある場合、STS-30A-DISは自動車向けに認定されており、検出範囲は-40°C～125°Cですが、この検出範囲の増加は全体的な確

前回のアナログ温度センサの記事では、プロセス監視、ファンのオンとオフの切り替え、またはマイクロコントローラからの介入なしに動作する他の熱 STS-30は、同様の機能を果たすために使用できる警告ピンを提供します。 これは、マイクロコントローラの割り込みピンへの接続を目的としていますが、それに特化した完全なアプリケーションノートもあり、負荷を自動的に切 マイクロコントローラの割り込み機能にインタフェースする機能は非常に重要な場合があります。 これにより、センサは、センサのマイクロコントローラのポーリングと読み取りデータへの応答の頻度が低いことに頼るのではなく、何かをすぐに行う必要があることを、優先度の高い信号でマイクロコントローラに即座に通知することができます。 アラート出力をトランジスタに接続して負荷を駆動できるようにすると、センサーは監視/ロギングの目的と自律的な熱管理機能の両方に使用できます。 アナログの解決と比較されて、この組み立てはよくデジタルSTS-30をより安い選択にするかもしれません。 別のコンパレータは必要ありませんし、alertピンのスレッショルドは、出荷時に設定する必要なしに、マイクロコントローラ/HMIを介してユーザーが設定できます。

STS-30シリーズデバイスはすべて通信にI2Cバスを使用します。 この記事で実装している回路図には、通信バスが正しく機能するために一般的に必要なプルアップ抵抗は含まれていません。 これらのプルアップ抵抗は、代わりにホストボードに取り付けられます。 バスごとに1組のプルアップ抵抗しか必要としないため、各センサーに抵抗を追加すると、バスに複数のプルアップ抵抗が追加され、誤動作の原因とな その上、並列に接続されたすべての抵抗器は、それらの全体的な抵抗を減少させるであろう。

ADDRピンを使用すると、デバイスに2つの異なるアドレスを選択でき、2つのSTS-30コンポーネントを同じI2Cバスに接続することができます。 これは、1-Wireバス上のMAX31826デバイスの機能ほど印象的ではないかもしれませんが、複数のデバイスを使用できるという点では依然として便利です。 これにより、デフォルトのアドレスが0x4Aに設定され、ロジックがhigh状態にプルされると、ADDRピンがlogic low（GND）にプルされ、代替アドレスが0x4Bに設

STS-30のパッケージはコンパクトですが、あまりにも狂っていないので、ステンシルを使用している場合はボードを手組みすることができます。 センサパッケージと0603デカップリングコンデンサは、上で見たMAX31826とほぼ同じサイズです。 コンデンサを小さくすると、高密度ボードに非常によく収まります。 ICの下にある大きなグラウンドパッドは、グラウンド-プレーンからIC内部の温度検出接合部に熱を伝達するための優れた経路を提供します。 これにより、グランドプレーンを使用してボードに余分な熱をダンプする大型MOSFETやレギュレータなど、任意のデバイスの隣に配置するのに最適な選択とな ICを熱源の近くに配置すると、より正確な温度検出結果が得られます。

デジタルセンサー実装:EMC1833T

前述のように、マイクロチップによって製造されたEMC1883デバイスは、素晴らしい機能の範囲を持っているだけでなく、トランジスタ接合によって感知された温度を読み取ることができるという魅力的なデバイスであることがわかります。 上記で見たSTS-30には、絶対値によってトリガされたalert割り込みピンがありましたが、EMC1883は、検出された温度の変化率に基づいてアラートを生成するように設定することもできます。 この変化率アラートにより、インテリジェントな熱管理ソリューションは、イベントの後ではなく、必要性を見越して自動的にオンにすることができま これは、その動作温度を慎重に管理することによって、デバイス全体の信頼性を向上させる可能性を秘めています。 STS-30と同様に、それはあなたがおそらくあなたが同じ結果を達成するために完全にアナログサーモスタットを使用していた場合に実装する必要が

私たちがテストしているEmc8Xxシリーズの特定のモデルは、単一のジャンクションの検出のみをサポートします。 ただし、このシリーズには、最大5つのジャンクションの検出が可能な他のモデルもあります。

STS-30と同様に、これは単一のI2Cバスに複数のセンサーを取り付けることに対応するI2Cベースのセンサーです。 1つの違いは、EMC1833T ADDRピンの実装がSTS-30デバイスのバイナリのオン/オフの性質とは異なることです。 このデバイスを使用すると、異なるプルアップ抵抗値を使用することにより、最大6個の個別のアドレスを設定できます。 ADDRピンは割込みピンの1つとしても機能し、サーマル警告ピンとして機能します(サーマル警告/警告2ピンとともに)。 前回のデバイスのインストールと同様に、温度センサボード上のI2Cラインにプルアップ抵抗を実装することはありません。 ただし、センサー通信バスが正しく機能するようにするには、回路内のどこかに取り付ける必要があります。

データシートでは、測定に使用できるCPUトランジスタがないため、リモートセンシング素子として2N3904バイポーラジャンクショントランジスタを使用することを推奨しています。 私はこのボード上の温度を検出するために2N3904の表面実装バリアントを使用しています。 MMBT3904はBJTsを扱う事実上すべてのシリコン製造会社から入手可能です-この場合、私はそれが最高のストックされていたので、ON Semiconductor部品を使用すること 私が最後にOctopartを見たときに利用可能な数百万がありました。

このシリーズの以前の記事で行ったように、温度検出素子であるトランジスタを熱ブレーク内に配置しました。 私は熱ブレークの背後に非感知要素を配置しました。 これにより、EMC1833Tは、それ自体が発生する可能性のある熱のために温度読取値に悪影響を与えることができなくなります。

デジタルセンサー実装: Si7051-A20-IMR

最後に、Silicon LabsのSi7051-A20があります。 それは私がこのシリーズ全体で見ることが最も興奮しているこのデバイスからの結果です。 MAX31826は非常に高精度なセンサですが、Si7051-A20は+/-0.1°Cの高精度を提供し、サンプリング時の消費電力はわずか195nAという非常に低いです。 消費電力は、他のすべてのデジタル温度センサよりも少なくとも一桁小さく、前の記事で見たアナログ温度センサよりも実質的に小さくなります。

多くのセンサーが非常に高い広告精度を持っている場合、数値は通常、全体的な検出範囲の限られた部分にのみ適用されます。 対照的に、Si7051-A12は、-40°C～+125°Cの全検出範囲で報告されている精度を提供します。 さらに、0.1℃の誤差は、平均または最小値ではなく、最悪のシナリオの精度であるということです。 14ビット分解能を選択すると、Si7051-A20は0.01°Cの再現性のある読み取りを提供します。

最後の二つのセンサと同様に、Si7051-A20はI2C互換のセンサです。 つまり、I2Cスイッチを追加するか、同じバスに接続されている異なるユニット間で電源を切り替えない限り、I2Cバスに接続できるユニットは これには追加のIOピンが必要であり、回路の複雑さが増すため、Si7051-A20は回路基板全体の複数の場所を検出するのに理想的ではありません。 また、このデバイスには、純粋にデジタル温度センサーとして使用することを目的とした警告/割込みピンもありません。 一般的に、回路基板上の熱管理を自動化する場合は、精度が低く低コストのセンサーで十分なアプリケーションになります。最後にSTS-20を使用したときに気に入った機能の1つは、クライアントがその機能を必要としていたため、各デバイスに適用されたNIST認定校正でした。 Si7051-A20はデータシートのこれの言及をしない間、利用できる口径測定の証明書を有する。 私はまた、校正の別のより具体的な証明書を見つけることができました; ただし、これはSilicon Labsのwebサイトには掲載されていないため、この会社が購入した特定のユニットにのみ適用される場合があります。 その場合、Silicon Labsが顧客向けに特定の証明書を発行する優先順位を設定します。

この記事で説明した他のI2C実装と同様に、このカードのI2Cラインには、データ/クロックラインにプルアップ抵抗が Si7051-A20が正常に通信できるようにするには、回路内のどこかの各ラインにプルアップ抵抗を含める必要があります。

6ピンDFNパッケージは、この記事で説明したすべての鉛レスオプションの中でも最も簡単にプロトタイプを手に入れることができます。 Voltera V-Oneのようなステンシルかのりの沈殿用具を使用して、このセンサーは場所を渡し、基本的な用具を使用して退潮して非常に容易で、それを家またはオ

結論

この記事では、四つの異なるデジタル温度センサを見てきました。 ただし、プロジェクトの特定の要件を満たすことができる他の何百ものデジタル温度センサーオプションがあります。 アナログ温度センサは、自律的なプロセス監視やアナログ-デジタルコンバータでの使用に優れていますが、デジタル温度センサは、マイクロコントローラを備えた製品に統合する際に非常に便利です。 我々はこの記事で見てきたように、あなたはおそらく、アナログ温度センサで使用するように工場出荷時設定のコンパレータベースのサーモスタットを超えて刺激的なアプリケーションを可能にする設定可能なしきい値で割り込みやアラートを生成することができ、デジタル温度センサがあります。 最新のデジタル温度センサの精度と精度は非常に高くなる可能性がありますが、多くのオプションはアナログのものよりもかなり多くの電流を消費し、自己発熱からある程度の温度オフセットを提供する可能性があります。

最も人気があり、品揃えの豊富なデジタル温度センサは、通常、通信にI2Cバスを使用しますが、SPIおよび1-Wireバスオプションも、プロジェクトの代替通信バスの可用性を満たすために容易に利用できます。

記事の冒頭で述べたように、これらのセンサーボードのそれぞれと他のすべての温度センサーの実装の詳細はGitHubで見つけることができます。 これらのデザインはすべてオープンソースのMITライセンスの下でリリースされており、個人的または商業的な使用のためのデザインでほとんど何でもす

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