四温控点可编程温度监控器ADT14及其应用

2006-05-07 15:49:34来源: 电子产品世界

概述

家用电器和工业设备,与温度或气温变化有关,经常需要根据温度变高或变低进行开机或者关机控制,这就必须要有检测温度的热敏传感器和开关控制器。以前常用功能单一的集成电路(IC)或半导体分立器件甚至机械式传感器电路,使得电路复杂、体积大、精度低、成本高、寿命短。如果采用ADI(模拟器件)公司为此开发的专用芯片来实现,可以克服上述缺点。

ADT14是ADI(模拟器件公司)的一种温控开关(或温度监控器),不仅可以满足上述需要,还可用于嵌入式智能控制系统,能够为低功耗微控制器(MCU或μC),微处理器(MPU或μP)或数字系统监视环境温度。ADT14将热敏传感器和开关控制电路集成到一片16脚封装的小芯片内,与采用分立器件或通用芯片构成的电路相比,大大减小了系统电路的复杂性和元器件的数量,显著提高了系统的可靠性和精确度。

ADT14的主要特点:监测温度范围宽,并可用外接电阻自由设定温控点(-40~+125℃);温控点精度典型值±3℃;与温度成比例的电压输出;比例因子+5mV/K;5mA集电极开路输出;TTL/CMOS电平兼容;温度迟滞可调;内设2.5V电压参考源;单电源工作(4.5~5.5)V;静态电流0.6mA;16脚DIP、SOIC两种封装。

内部结构和引脚功能

ADT14芯片的内部结构方块图如图1所示,主要包括:电压参考源、正温度系统温度检测器、电压比较器、迟滞电路和输出电路等。

功能描述

ADT14实际上是一种半导体温度传感器和温度控制器多功能器件,它有五个输出脚,一个脚输出正比于温度的电压,另外四个脚输出逻辑电平控制信号。四个温控点和温度迟滞都可以由用户通过外接电路自由设置。

ADT14内部集成了一个带隙电压参考源和四个电压比较器,参考源产生 一个恒定的2.5V电压和一个与温度成正比的电压信号VPTAT,温度系数(或称比例因子)典型值为[+5mV/K]=+5mV/(℃+273.15)。当温度为+25℃时,VPTAT为1.49V。四个电压比较器在结构上和功能上都相同,也没有先后顺序之别。通过比较器,将VPTAT电压信号与2.5V电压参考源外接电阻分压支路设定的温控点(分压值)进行比较,当高出设定温度值时就会输出控制信号。按用户需要,电压分压支路可以设置1~4个电压参考点作为温控点。每个比较器的输出端都连接一只集电极开路晶体管,该管可以提供吸入5mA电流的驱动能力。

还有一个片内迟滞效应产生电路,用于加速温控点上输出信号的跃变,也可以降低噪声环境下输出的不稳定性。迟滞量的大小可用外接电压来设定,该电压可调整用于产生迟滞偏置电压的迟滞电流。该电流由内部镜像电路(电流镜)产生一个镜像电流,由该电流产生一个极性可变的迟滞偏置电压,叠加在2.5V的参考源之上,为并行连接的四个比较器的输入端提供基准电压。

ADT14采用专利技术基准电压。温度特性优良的薄膜电阻,再结合激光修整技术,确保ADT14在标称温度范围内具备典型值为±3℃的温度精度和良好的线性。集电极开路输出端能够吸入5mA的负载电流,可以直接驱动小型继电器或发光二极管(LED)指示灯。工作在5V电源下,静态电流最大值仅为0.6mA。

使用说明

1.温控点设置

在ADT14作为温度监控器的基本应用电路中,仅需用几只电阻串联成一个分压支路,以VREF为电压源,分别设置4个温控点的电压即可。这几只电压按以下顺序确定:

a.选择分压电路结构,为并联式(各温控点电压可独立调节)、串联式或混联式;

b.确定所需温控点的温度和个数;

c.计算各温控点电压;

d.确定VREF负载电流IL;

e.计算各电阻阻值。

以下以图2(a)所示的混联式电路为例计算各电阻的阻值:

*对于SET4,T4=100℃;V(SET4)=(T4+273.15)(5mV/K)

*对于SET1,T1=75℃;V(SET1)=(T1+273.15)(5mV/K)

选择IIL=25μA,则

□R1=(VREF-V(SET4))/IL1

□R2=(V(SET4)-V(SET1))/IL1

□R3=V(SET1)/IL1

*对于SET3,T3=50℃;V(SET3)=(T3+273.15)(5mV/K)

*对于SET2,T2=10℃;V(SET2)=(T2+273.15)(5mV/K)

选择IL2=25μA,

□R4=(VREF-V(SET3))/TL2

□R5=(V(SET3-V(SET2))/IL2

□R6=V(SET2)/IL2

在上例中,将SET4设置为高端温控点,后面依次为SET1、SET3、SET2,该顺序可由用户随意改变,原因是4个比较器完全相同。不过,应确保一点,总的等效电阻不小于12.5kΩ。这样将保持VREF端的负载电流不超过200μA。为了避免产生误差,一般选择50μA(IL1+IL2)<200μA

如果4个温控点设置完成后不需要改变,可以选择串联式电路,如图3(b)所示。各电阻的阻值为:

□R1=(VREF-V(SET4))/IL

□R2=(V(SET4)-V(SET1))/IL

□R3=(V(SET1)-V(SET3))/IL

□R4=(V(SET3)-V(SET2))/IL

□R5=V(SET2)/IL

2.温度迟滞

在图3中示出了迟滞效应的“电压—温度”关系图。迟滞的大小是可以由用户按需要设置的,其方法是用外接短路线或外接电阻把HYS端接参考电压VREF或接地GND或悬空。当11脚连接VREF、悬空或接地时,迟滞温度分别为0.65℃、1.5℃和5℃。而且各个温控点迟滞大小一致。

迟滞量的在小也是连续可调的。如图4所示,如果在HYS端和VREF端之间跨接一只可变电阻,迟滞就可以在0.65~1.5℃选择,阻值计算公式为:R1(kΩ)=[57.5/(1.5-TH)]-57.5,其中TH为迟滞温度;如果在HYS端和GND端之间跨接一只可变电阻,迟滞就可以在1.5

5~5℃之间选择,阻值计算公式为:R2(kΩ)=[57.5/(TH-1.5)]-57.5。

3.自加热效应

在一些应用中,用户应该考虑输出级功耗引起的自加热效应,每个集电极开路输出管能够连续吸入5mA的负载电流。在满负荷情况下,ADT14输出级的功耗为:

PD=0.6V×5mA×4=12mW

对于贴片式封装SOIC的ADT14,由自加热引起的温度增加量为:ΔT=PD×θJA=0.012W×81℃/W=0.97℃

自加热效应会直接影响ADT14的精确度,并且自加热效应将会抬高温控点温度。如果利用安装散热器的方法,可使热阻显降(对于SOIC封装的热阻θJC分别为27℃/W),从而可使自加热效应大幅度降低。

后面给出的几种电路,多数增加了外部驱动管或其它缓冲级。这些缓冲级将会减少自加热效应和改善精确度。

应用

1.用作温度控制器

当ADT14作为一只温度控制器使用时,就是利用其集电极开路输出管的逻辑电平信号,而不考虑模拟电压输出VPTAT信号。

①温度超限报警器

ADT14很简单的一种应用就是温度超限报警器,电路如图5所示。将ADT14内部一只比较器的输出端外接一只起反相作用的三极管,用该管的集电极与另一只比较器的输出端构成“线与”逻辑关系,以便在温度超出预定范围时产生视觉报警信号。该电路可以用在那些对于温度敏感的设备中起校准作用。为了保护ADT14的输出管和LED,串联一只200Ω的电阻是必要的。另外,如果用蜂鸣器取代LED,则可以产生听觉报警信号;如果给LED串联一只蜂鸣器,则可以同时产生视觉和听觉报警信号。

②温度过高启动控制

在一些温度监控应用中,总是用到某种类型的开关部件。对于大多数的应用,所用开关部件需要控制1A以上的电流。由于ADT14的负载电流会产生自加热现象而影响监控精度,因此应尽量减小该电流。显然,不应该由ADT14直接驱动大电流开关部件,而应该加外加驱动级,比如:继电器、大功率MOSFET、可控制、IGBT以及达林顿管等。

在图6电路中直接用ADT14驱动小功率继电器。但应注意两点:①继电器线圈电流(可以直接由线圈的分压和直流电阻算出)不应超过5mA;②在线圈上会产生很大感应电压,并会损坏ADT14的输出级,应跨接续流保护二极管。

在该电路中仅用到了一个温控点。可以用该电路监视一部装有冷却风扇的机器,当机器温度过高并超出设定点时,驱动继电器吸合作为风扇电源开关的缺点,启动风扇开始排热。

除此之外,还可用作温度过低启动控制(N-MOSFET驱动)、温度过低启动控制(IGBT驱动)、温度过低启动控制(光电隔离、可控硅驱动)等。

2.用作温度传感器

当ADT14作为一只温度传感器使用时,就是利用其模拟电压输出VPTAT,而不考虑逻辑电平输出信号。

①对温度输出脚信号作缓冲处理

VPTA输出端是一个低阻抗直流电压输出端,其温度系数为5mV/K,该脚提供的电压信号对于一些测量和控制场合是很有用的。在许多应用中需要将该电压信号传送到控制中心进行处理。经ADT14片内缓冲器的VPTAT电压输出端具有500μA和50pF的负载驱动能力。为了减小负载电流引起的温度测量误差、确保检测精度、提供带负载能力,增加外部缓冲电路是很有必要的。在图7中给出了一种用性能优良的通用运放OP177构成的缓冲级,其负载驱动能力高于10mA,并且对于高达0.1μF的电容性负载能够保持稳定的输出。

    ②差动输出

在干扰很强的工业环境中,将模拟信号精确地进行长距离的传送是很困难的。然而,通过一对双绞线传送差分信号,可使传输误差显著减小。由于在两根线上感受到的噪声信号是等量的,在接收端采用的具有很强的共模抑制能力的接收器可以有效地抵消噪声。在图8示出的电路中,在发送端采用一片双运放OP297构成差动输出级,在接收端采用一片性能优良的运放AMP03(或SSM2141或SSM2143)构成差动接收级,AMP03具有95dB的共模抑制比。

除此之外,还可用作(4~20)mA电流环、温度/频率转换、光电隔离传递、转换5mV/K为10mV/℃、转换5mV/K为10mV/°F等。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1486.html
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