集成溫度傳感器AD590的應(yīng)用

1、AD590測(cè)溫電路及其應(yīng)用引言集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b - e結(jié)壓降的不飽和值V與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為 10 mVK ，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982 V。電流輸出型的靈敏度一般為 1AK 。1 AD590簡(jiǎn)介11 特性AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：( 1 ) 測(cè)溫范圍- 55+l50；( 2 ) 線性電流輸出

2、lA K；( 3 ) 線性度好，滿(mǎn)刻度范圍為0 .3；( 4 ) 電源電壓范圍4 30 V，當(dāng)電源電壓在5 10V之間，電壓穩(wěn)定度為l 時(shí)，所產(chǎn)生的誤差只有0.01；( 5 ) 電阻采用激光修刻工藝，使在+ 25 ( 298.2K) 時(shí)，器件輸出298.2A：( 6 ) 功率損耗低。1.2 AD590的工作原理AD590通過(guò)利用硅晶體管的基本性能來(lái)實(shí)現(xiàn)與溫度成正比這一特性，二極管的基本方程為：I = I s ( e-1 ) I se ( 1 )式中，I 通過(guò)二極管的電流I s 二極管的反向飽和電流V二極管兩端電壓 (伏)q 電子電荷量，等于 1.60210 (庫(kù))K常數(shù)，等于 1.38 10

3、(焦耳K )T絕對(duì)溫度 ( K )由式 (1 ) 可知，II s = e ， 所以V = KTql n I / I s = KTql n J ( 2 )由式 ( 2 ) 可知V與絕對(duì)溫度成正比，AD590就是根據(jù)式(2 )工作的。設(shè)T3、T4為理想三極管，將電流 I分成兩部電流I = I。由8個(gè)和Tl一樣的三極管并聯(lián)構(gòu)成 T2所以T l 的電流密度JI 是 T2的電流密度J2的8倍，兩個(gè)相同的三極管流過(guò)不同的集電極電流I時(shí)，其V之差與絕對(duì)溫度成正比，即：V= V- V= KTql n J lJ2 = Kq( 1n8 )T =17910T (3)由式 ( 3 ) 可知，V與T成正比， V是T 2

4、管射極電阻R上的壓降，由 于V與成正比，A D590的簡(jiǎn)化電路如圖1所示由式 ( 3 ) 可知，V與T成正比，V是T2管射極電阻R上的壓降，由于V與成正比所以通過(guò)R上的電流I必與絕對(duì)溫度T成正比，因I= 2 I，集成電路中的總電流I必與T成正比。設(shè)R= 358，I= 2(17910R )T所以I/ T =lAK ( 4 )這就是 A D5 9 0當(dāng)溫度改變 l 度 ( 絕對(duì)溫度)獲得 l A電流輸出的，這就是把溫度轉(zhuǎn)成電流的道理。2 A D 5 9 0的應(yīng)用電路2.1基本應(yīng)用電路如圖2是AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò)A D 5 9 0的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和

5、電位器 R P的電阻之和為1 k n時(shí)，輸出電壓U0隨溫度的變化為1mVK。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，圖2測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路RP用于校準(zhǔn)調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物( 273.15 K )中，調(diào)整電位RP，使U0 = 273.15 mV?；蛟谑覝叵? 298.15條件下調(diào)整電位器使U0 = 273.2 + 25 = 298 .2 m V。但這樣調(diào)整只可保證在 2 7 3. 1 5 K或2 9 8 .1 5 K附近有較高精度。2.2模擬式攝氏溫度測(cè)量電路如圖3 所示，電位器RP1用于調(diào)整零點(diǎn)，RP2用于調(diào)整運(yùn)放的增益。調(diào)整方法如

6、下： 在0時(shí)調(diào)整 RP1，使輸出Uo = 0，然后在 100時(shí)調(diào)整 RP2使Uo = 100 mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，Uo = 0 m V，100 時(shí)Uo = 100 mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25 ，那么Uo應(yīng)為2 5 mV。冰水混合物是 0環(huán)境，沸水為100 環(huán)境。圖3模擬式攝氏溫度測(cè)量電路2 .3數(shù)字式溫度測(cè)量電路AD590雖是一種模擬溫度傳感器，但附加上一些電路可輸出數(shù)字信號(hào)。如圖4所示，是由AD590和A /D轉(zhuǎn)換器7106組成的數(shù)字式溫度測(cè)量電路。電位器RP l用于調(diào)整基準(zhǔn)電壓， 以達(dá)滿(mǎn)度調(diào)節(jié)；RP2 用于在0時(shí)調(diào)零。當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)通過(guò)R的電流不同，

7、使得A點(diǎn)電位發(fā)生相應(yīng)變化，檢測(cè)此電位即能檢測(cè)被測(cè)溫度( AD590所在處溫度)的高低。A點(diǎn)電位送入IC2的30腳，經(jīng)7106 處理后，再送人顯示電路驅(qū)動(dòng)LED顯示出被測(cè)溫度。圖4數(shù)字式溫度測(cè)量電路2. 4溫差測(cè)量電路及其應(yīng)用2 .4 .1溫差測(cè)量原理分析圖5是利用兩個(gè)AD590測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的電路。兩塊AD590分別位于兩個(gè)被檢測(cè)點(diǎn) B1、 B2。B1，B2處的溫度分別為T(mén)1,T2，由圖可得I =I-I= K( Tl -T2 )。假設(shè)兩塊AD590有相同圖5溫差測(cè)量電路的標(biāo)度因子K T ，運(yùn)放的輸出Uo為U o = - IR3 = KR3 ( T1 - T2 ) 可見(jiàn)，整個(gè)電路總的標(biāo)度因子為F

8、 =Uo/( Tl T2 ) = KR3，F(xiàn)值大小取決于R3。剛才假定了兩塊感溫器件具有相同的標(biāo)度因子K，但實(shí)際上難免有差異，電路中設(shè)置電位器RP通過(guò)隔離電阻 Rl注入一個(gè)校正電流 L 以獲得平穩(wěn)的零位誤差。由校正前后的溫度特性曲線可知，只有在某一溫度 T時(shí)，有I=0 , 此點(diǎn)常設(shè)在量程的中間。2 .4 .2應(yīng)用舉例（1）以某節(jié)能型藥材倉(cāng)庫(kù)溫、 濕度控制系統(tǒng)為例，若要求庫(kù)房溫度低于T，相對(duì)濕度低于A1B 1RH 。則采取的兩種控制模式如下：控制模式一：當(dāng)庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度高于A1B1RH且?guī)焱鉁囟鹊陀赥時(shí)，進(jìn)行庫(kù)內(nèi)外通風(fēng)。這種方式是利用庫(kù)內(nèi)外濕度差進(jìn)行空氣的交換，以達(dá)到庫(kù)內(nèi)除濕的要求，其優(yōu)點(diǎn)是高效、

9、節(jié)能、節(jié)省資金。但這種方式受到嚴(yán)格的控制。首先，庫(kù)外的相對(duì)濕度要低于庫(kù)內(nèi)的，它們之間的差要大于A2B2RH，這樣才能有效保證及時(shí)地進(jìn)行庫(kù)內(nèi)的除濕。其次，庫(kù)內(nèi)庫(kù)外的溫度差要小于T，這是因?yàn)?，如果在?kù)外溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)內(nèi)溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，熱空氣進(jìn)入庫(kù)區(qū)后遇上冷空氣就會(huì)造成藥品、器材表面結(jié)露的現(xiàn)象進(jìn)而影響藥品和器材的質(zhì)量。反之，如果在庫(kù)內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)外溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，冷空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)后也會(huì)在藥品器材表面結(jié)露。另外，庫(kù)外溫度不能接近T。這是因?yàn)椋绻麕?kù)外溫度接近T時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，很可能使密閉的庫(kù)溫升高，從而超過(guò)溫度上限T?？刂颇Ｊ蕉?：當(dāng)溫度 高于 T 或濕度高于 A1B1RH但不滿(mǎn)足第一種情況時(shí)，開(kāi)啟冷凍空調(diào)機(jī)

10、組進(jìn)行庫(kù)內(nèi)降溫除濕。為避免因庫(kù)內(nèi)外溫差過(guò)大通風(fēng)時(shí)藥品、 器材表面結(jié)露的現(xiàn)象，必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)溫差值的精度。傳統(tǒng)的測(cè)溫差方法是對(duì)兩點(diǎn)溫度分別進(jìn)行處理(調(diào)理 電路、AD、運(yùn)算處理)后求差值，此方法所得溫差精度低。庫(kù)內(nèi)外溫差測(cè)量可采用圖3所示電路，利用溫差值直接與設(shè)定值相比較，既能保證較高的精度，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)， 提高了系統(tǒng)的可靠性。（2）如圖5所示的電路，運(yùn)放的輸出端Uo連接上報(bào)警電路，傳感器B1設(shè)置在警戒液面的位置，傳感器B2設(shè)置在警戒液面上方較遠(yuǎn)的位置。這樣即成為了種液位報(bào)警器。平時(shí)傳感器 B1、B2在相同的溫度條件下調(diào)節(jié)電位器RP l使運(yùn)放輸出為零。當(dāng)液面升高到警戒位時(shí)，傳感器B1將

11、會(huì)被液體淹沒(méi)，由于液體溫度與環(huán)境溫度不同，因此運(yùn)放輸出控制電壓Uo， 控制報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。2.5 N點(diǎn)最低溫度值的測(cè)量將不 同測(cè) 溫 點(diǎn) 上 的數(shù) 個(gè) ADS 9 0相串聯(lián)，可測(cè)出所有測(cè)量點(diǎn)上的溫度最低值。該方法可應(yīng)用于測(cè)量多點(diǎn)最低溫度的場(chǎng)合。2.6 N點(diǎn)溫度平均值的測(cè)量把 N個(gè) A D 5 9 0并聯(lián)起來(lái)，將電流求和后取平均， 則可求出平均溫度。該方法適用于需要多點(diǎn)平均溫度但不需要各點(diǎn)具體溫度的場(chǎng)合。2.7 A D590在熱電偶冷端補(bǔ)償中的應(yīng)用熱電偶有熱端和冷端，它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為兩者的熱電勢(shì)之差，因此同環(huán)境溫度有關(guān)時(shí)，測(cè)量結(jié)果需要加以修正。利用AD5 9 0的線性溫敏特性，可以給溫差電偶

12、的參考端 ( 冷端)提供溫度補(bǔ)償，使熱電偶的參考端在任何環(huán)境溫度下僅產(chǎn)生的0 V電動(dòng)勢(shì)。補(bǔ)償?shù)幕驹砣鐖D6 ， 補(bǔ)償電路如圖7所示。圖6熱電倜冷端補(bǔ)償基本原理圖7熱電倜的冷端溫度補(bǔ)償圖中將熱電偶的冷熱兩端等效成兩個(gè)受溫度控制的電壓源，即電壓源的電動(dòng)勢(shì)隨溫度而改變。其溫度系數(shù)與電偶的塞貝克 ( Seebeck )系數(shù)相同。電偶參考端的溫度補(bǔ)償，實(shí)際上就是在電偶的參考端人為的引入一個(gè)不受溫度控制，且溫度系數(shù)相同而方向相反的電壓源，從而使參考端的總電動(dòng)勢(shì)不再受到環(huán)境溫度的影響。這里我們選用的是鐵康銅溫差電偶，它的測(cè)溫范圍為100 - 900，在室溫范圍內(nèi)其塞貝克系數(shù)為52 V /。由圖6中不難導(dǎo)出

13、加到放大器 A的輸入電壓為：Vi =( VB- 2.5 )- V+ V ( 5 )式中，V B為兩端電壓降,V為熱電偶冷端所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，V為熱電偶熱端 (測(cè)量端)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。合理的選擇電阻RA和RT的值，使?jié)M足C-2.5 -V= 0 ，即V i = V即加到放大器輸入端的電壓就是熱電偶熱端所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，與冷端電勢(shì)無(wú)關(guān)，從而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康?。由于AD590和冷端放在一起，其產(chǎn)生的電流與冷端溫度成正比，此電流在上的壓降抵消冷端誤差電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償冷端誤差。2.8 AD 5 9 0的選用AD590是一種模擬溫度傳感器， 但是無(wú)需附加的線性化電路來(lái)校準(zhǔn)熱敏電阻的非線性。當(dāng)要求電壓(或電流)與溫度之間呈線性關(guān)系時(shí)，它是迄今為止的最佳選擇。雖然新的數(shù)字輸出溫度傳感器已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了模擬輸出溫度傳感器，但是模擬輸出溫度傳感器在那些無(wú)需數(shù)字化輸出的應(yīng)用場(chǎng)合仍然能夠找到其用武之地。AD590電流輸出溫度傳感器在許多應(yīng)用領(lǐng)域一直是很有活力的產(chǎn)品。因?yàn)槠涓咦杩闺娏鬏敵鍪顾鼘?duì)長(zhǎng)線傳輸?shù)碾妷航德洳幻舾?，這種器件經(jīng)常用于遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)。因?yàn)樗軌驒z測(cè) - 55150的溫度，并且具有+ 4 V30 V寬電壓工作范圍，它能用于多種多樣的溫度檢測(cè)。具體設(shè)汁時(shí)，可依據(jù)其特性參數(shù)選用。3. 結(jié)束語(yǔ)由于AD590精度高、價(jià)格低