集成温度传感器AD590的应用

AD590测温电路及其应用引言集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV／K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1A／K。1AD590简介1．1特性AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：(1)测温范围-55℃~+l50℃；(2)线性电流输出lA／K；(3)线性度好，满刻度范围为±0.3℃；(4)电源电压范围4~30V，当电源电压在5~10V之间，电压稳定度为l％时，所产生的误差只有±0.01℃；(5)电阻采用激光修刻工艺，使在+25℃(298.2K)时，器件输出298.2A：(6)功率损耗低。1.2AD590的工作原理AD590通过利用硅晶体管的基本性能来实现与温度成正比这一特性，二极管的基本方程为：I=Is(eKTqVbc/-1)≈Is．eKTqV/(1)式中，I——通过二极管的电流Is——二极管的反向饱和电流Vbc——二极管两端电压(伏)q——电子电荷量，等于1.6021019(库)K——常数，等于1.381023(焦耳／K)T——绝对温度(K)由式(1)可知，I／Is=eKTqVbc/，所以Vbc=KT／q·lnI/Is=KT／q·lnJ(2)由式(2)可知Vbc与绝对温度成正比，AD590就是根据式(2)工作的。AD590的简化电路如图1所示由式(3)可知，VT与T成正比，VT是T2管射极电阻R上的压降，由于VT与成正比所以通过R上的电流I2C必与绝对温度T成正比，因IT=2I2C，集成电路中的总电流IT必与T成正比。设R=358，IT=2(179×106／R)·T设T3、T4为理想三极管，将电流IT分成两部电流I1C=I2C。由8个和Tl一样的三极管并联构成T2所以Tl的电流密度JI是T2的电流密度J2的8倍，两个相同的三极管流过不同的集电极电流IC时，其VBC之差与绝对温度成正比，即：VT=V1bc-V2bc=KT／q·lnJl／J2=K／q·(1n8)·T=179106·T(3)由式(3)可知，VT与T成正比，VT是T2管射极电阻R上的压降，由于VT与成正比，所以IT/T=lA／K(4)这就是AD590当温度改变l度(绝对温度)获得lA电流输出的，这就是把温度转成电流的道理。2AD590的应用电路2.1基本应用电路图2测量热力学温度的基本应用电路RP用于校准调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物(273.15K)中，调整电位RP，使U0=273.15mV。或在室温下(298.15条件下调整电位器使U0=273.2+25=298.2mV。但这样调整只可保证在273.15K或298.15K附近有较高精度。2.2模拟式摄氏温度测量电路如图3所示，电位器RP1用于调整零点，RP2用于调整运放的增益。调整方法如下：在0℃时调整RP1，使输出Uo=0，然后在100℃时调整RP2使Uo=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，Uo=0mV，100℃时Uo=100mV为止。最后在室温下进行校验。例图3模拟式摄氏温度测量电路2.3数字式温度测量电路AD590虽是一种模拟温度传感器，但附加上一些电路可输出数字信号。如图4所示，是由AD590和A/D转换器7106组成的数字式温度测量电路。电位器RPl用于调整基准电压，以达满度调节；RP2用于在0℃时调零。当被测温度变化时通过R的电流不同，使得A点电位发生相应变化，检测此电位即能检测被测温度(AD590所在处温度)的高低。A点电如图2是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器RP的电阻之和为1kn时，输出电压U0随温度的变化为1mV／K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整，如，若室温为25℃，那么Uo应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。位送入IC2的30脚，经7106处理后，再送人显示电路驱动LED显示出被测温度。图4数字式温度测量电路2.4温差测量电路及其应用2.4.1温差测量原理分析图5温差测量电路的标度因子KT，运放的输出Uo为Uo=-IR3=KTR3(T1-T2)可见，整个电路总的标度因子为F=Uo/(Tl–T2)=KTR3，F值大小取决于R3。刚才假定了两块感温器件具有相同的标度因子KT，但实际上难免有差异，电路中设置电位器RP通过隔离电阻Rl注入一个校正电流△L以获得平稳的零位误差。由校正前后的温度特性曲线可知，只有在某一温度T时，有I=0,此点常设在量程的中间。2.4.2应用举例（1）以某节能型药材仓库温、湿度控制系统为例，若要求库房温度低于T℃，相对湿度低图5是利用两个AD590测量两点温度差的电路。两块AD590分别位于两个被检测点B1、B2。B1，B2处的温度分别为T1,T2，由图可得I=I1T-I2T=KT(Tl-T2)。假设两块AD590有相同于A1B1％RH。则采取的两种控制模式如下：控制模式一：当库内相对湿度高于A1B1％RH且库外温度低于T℃时，进行库内外通风。这种方式是利用库内外湿度差进行空气的交换，以达到库内除湿的要求，其优点是高效、节能、节省资金。但这种方式受到严格的控制。首先，库外的相对湿度要低于库内的，它们之间的差要大于A2B2％RH，这样才能有效保证及时地进行库内的除湿。其次，库内库外的温度差要小于△T℃，这是因为，如果在库外温度远高于库内温度时进行通风，热空气进入库区后遇上冷空气就会造成药品、器材表面结露的现象进而影响药品和器材的质量。反之，如果在库内温度远高于库外温度时进行通风，冷空气进入库内后也会在药品器材表面结露。另外，库外温度不能接近T℃。这是因为，如果库外温度接近T℃时进行通风，很可能使密闭的库温升高，从而超过温度上限T℃。控制模式二：当温度高于T℃或湿度高于A1B1％RH但不满足第一种情况时，开启冷冻空调机组进行库内降温除湿。为避免因库内外温差过大通风时药品、器材表面结露的现象，必须严格控制系统温差值的精度。传统的测温差方法是对两点温度分别进行处理(调理电路、A／D、运算处理)后求差值，此方法所得温差精度低。库内外温差测量可采用图3所示电路，利用温差值直接与设定值相比较，既能保证较高的精度，又简化了系统的软件设计，提高了系统的可靠性。（2）如图5所示的电路，运放的输出端Uo连接上报警电路，传感器B1设置在警戒液面的位置，传感器B2设置在警戒液面上方较远的位置。这样即成为了—种液位报警器。平时传感器B1、B2在相同的温度条件下调节电位器RPl使运放输出为零。当液面升高到警戒位时，传感器B1将会被液体淹没，由于液体温度与环境温度不同，因此运放输出控制电压Uo，控制报警电路发出警报。2.5N点最低温度值的测量将不同测温点上的数个ADS90相串联，可测出所有测量点上的温度最低值。该方法可应用于测量多点最低温度的场合。2.6N点温度平均值的测量把N个AD590并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。2.7AD590在热电偶冷端补偿中的应用热电偶有热端和冷端，它所产生的电动势为两者的热电势之差，因此同环境温度有关时，测量结果需要加以修正。利用AD590的线性温敏特性，可以给温差电偶的参考端(冷端)提供温度补偿，使热电偶的参考端在任何环境温度下仅产生的0V电动势。补偿的基本原理如图6，补偿电路如图7所示。图6热电倜冷端补偿基本原理图7热电倜的冷端温度补偿图中将热电偶的冷热两端等效成两个受温度控制的电压源，即电压源的电动势随温度而改变。其温度系数与电偶的塞贝克(Seebeck)系数相同。电偶参考端的温度补偿，实际上就是在电偶的参考端人为的引入一个不受温度控制，且温度系数相同而方向相反的电压源，从而使参考端的总电动势不再受到环境温度的影响。这里我们选用的是铁——康铜温差电偶，它的测温范围为100-900℃，在室温范围内其塞贝克系数为52V/℃。由图6中不难导出加到放大器A的输入电压为：Vi=(VB-2.5)-VTo+V(5)式中，VB为两端电压降,VTo为热电偶冷端所产生的热电势，V为热电偶热端(测量端)所产生的热电势。合理的选择电阻RA和RT的值，使满足CB-2.5-VTo=0，即Vi=V即加到放大器输入端的电压就是热电偶热端所产生的热电势，与冷端电势无关，从而达到冷端补偿的目的。由于AD590和冷端放在一起，其产生的电流与冷端温度成正比，此电流在上的压降抵消冷端误差电势，从而实现补偿冷端误差。2.8AD590的选用AD590是一种模拟温度传感器，但是无需附加的线性化电路来校准热敏电阻的非线性。当要求电压(或电流)与温度之间呈线性关系时，它是迄今为止的最佳选择。虽然新的数字输出温度传感器已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器，但是模拟输出温度传感器在那些无需数字化输出的应用场合仍然能够找到其用武之地。AD590电流输出温度传感器在许多应用领域一直是很有活力的产品。因为其高阻抗电流输出使它对长线传输的电压降落不敏感，这种器件经常用于远程温度检测。因为它能够检测-55℃～150℃的温度，并且具有+4V～30V宽电压工作范围，它能用于多种多样的温度检测。具体设汁时，可依据其特性参数选用。3.结束语由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源，线性好。基于该器件输出电流与绝对温度成正比这种特性，对于温度测量的应用包括冷端补偿和离散补偿的纠正，以及流速测量、标准流度或风力测定。AD590这一芯片适用于混合电路及受保护环境的快速温度测量条件下。此外，AD590也可用于细微的传感应用中。这一器件由于其高阻抗输出电路对长线路上电压压降较为敏感。根据其输出特性，AD590的应用也是多元化的：电流可转换成一个CMOS多路(复用)器或者供给电压也可转换成逻辑门输出。