ไอซีเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (Integrated – Circuit Temperature Sensors)

ไอซีเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (Integrated – Circuit Temperature Sensors)
ที่ผ่านมาพบว่าเทอร์โมคัปเปิลมีสัญญาณทางด้านเอาต์พุตต่ำมากและมีความเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ยังต้องมีการชดเชยค่าที่ถูกต้องให้ด้วย ส่วนอาร์ทีดีให้เอาต์พุตเป็นความต้านทานแต่จะมีค่าน้อย และเทอร์มิสเตอร์ก็จะมีความเป็นเชิงเส้นน้อยมาก
มีตัวตรวจวัดอุณหภูมิตัวหนึ่งที่เป็นทางเลือก ได้แก่อุปกรณ์ที่ประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ในรูปของโมโนลิธิกไอซี ในที่นี้จะกล่าวถึงเบอร์ต่างๆดังนี้

ไอซีตระกูล 335
ในที่นี้จะอ้างอิงเบอร์ LM335 ส่วนตัวอื่นในตระกูลเดียวกันจะเป็นดังตารางที่ 5.9
ตารางที่...แสดงย่านวัดอุณหภูมิของ LM135/LM235/LM335

อุปกรณ์ ย่านวัด(° C) การใช้งาน
LM135
LM235
LM335 -55 ถึง +150
-40 ถึง +125
-40 ถึง +100 ทางทหาร
งานอุตสาหกรรม
เชิงธุรกิจ
ไอซีเบอร์ LM335 เป็นซีเนอร์ไดโอดที่ไวต่ออุณหภูมิ เมื่อเราจ่ายแรงเคลื่อนไบอัสกลับให้อยู่ในย่านเบรกดาวน์ จะทำให้มีความไวทางด้านเอาต์พุตเป็น 10 mV/° K หรือ
VZ = T (..)
จากที่พบว่าองศาเคลวินและองศาเซลเซียสมีค่าเหมือนกัน แต่จะมีออฟเซตเป็น 273° นั่นคือ
0° C = 273° K
ดังนั้นเอาต์พุตของ LM335 จึงกลายเป็น
VZ = 2.73 V + T (..)
กระแสจากรูปที่ 5.25 จะต้องจำกัดให้อยู่ที่
5 mA > IZ > 400 µA
ด้วยเหตุนี้จึงเห็นว่าที่กระแสสูงๆ LM335 จะร้อนเนื่องจากกำลังงาน IZVZ แต่ที่กระแสต่ำกว่า 1 mA จะทำให้ความแน่นอนลดน้อยลง
เพื่อหาค่าของตัวต้านทานที่เหมาะสมที่จะนำมาต่ออนุกรมกับรูปที่ 5.25 อันดับแรกต้องหาแรงเคลื่อนตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดที่อุณหภูมิปกติที่ใช้งาน ซึ่งหาได้จาก
= (...)


ต้องจำว่า กระแสโหลดต้องน้อยกว่ากระแสต่ำสุดที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดจริง นั่นคือต้องแน่ใจว่า




ความเป็นเชิงเส้นของ LM335 มีค่าเท่ากับ สิ่งที่ต้องระวังในวงจรนี้คือ ออฟเซต 2.73 โวลต์อาจจะสร้างสัญญาณรบกวนให้กับวงจร จากวงจรด้านบนที่อุณหภูมิ 0° C แรงเคลื่อนทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็น 0 โวลต์ไฟกระแสตรง
วงจรในรูปที่ 5.26 เป็นวงจรหนึ่งที่สามารถใช้ในการสอบเทียบเป็นแบบสองจุด (two – point calibration) โดยมีลำดับขั้นดังนี้คือ
1. ปรับขา (wiper) ของโพเทนชิโอมิเตอร์ศูนย์ให้ได้แรงเคลื่อน -2.73 โวลต์
2. ปรับโพเทนชิโอมิเตอร์ เป็นที่กึ่งกลาง นำตัวโพเทนชิโอมิเตอร์ไปวางที่อุณหภูมิไปวางที่อุณหภูมิต่ำสุด ณ จุดที่ต้องการใช้งาน
3. ปรับโพเทนชิโอมิเตอร์ศูนย์ใหม่เพื่อกำจัดค่าความผิดพลาดออกครึ่งหนึ่ง แล้วนำโพเทนชิโอมิเตอร์ไปวางไว้ยังจุดที่มีอุณหภูมิสูงสุดที่ต้องการใช้งาน
4. ปรับโพเทนชิโอมิเตอร์ เพื่อกำจัดค่าความผิดพลาดด้านบนออก สลับกันวางตัวเซ็นเซอร์ที่อุณหภูมิสูงและต่ำอย่างนี้แล้วปรับอย่างน้อยอีก 2 ครั้ง โดยใช้การปรับศูนย์ที่ด้านล่างและปรับค่า ที่ด้านบน
จากการทดลองด้านบน ต้องไม่ลืมช่วงเวลาที่จะทำให้ตัวเซนเซอร์เข้าสู่จุดเสถียรที่อุณหภูมิใหม่ในแต่ละครั้งก่อนที่จะทำการปรับ นอกจากนั้นต้องแน่ใจว่าจะสามารถรักษาให้ RZERO มีค่าน้อยกว่า RBIAS ซึ่งทำให้การปรับไม่มีผลกับค่า IZ

ไอซีตระกูล 34
ในที่นี้จะอ้างอิงเบอร์ LM34 จากบริษัท National Semiconductor ซึ่งอซีเบอร์ LM34 นี้ให้แรงเคลื่อนเอาต์พุตเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิองศาฟาเรนไฮต์ พบว่า LM34 มีข้อได้เปรียบเหนือตัวเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบเชิงเส้นที่สอบเทียบกับอุณหภูมิองศาเคลวินคือ
1. ไม่ต้องลบค่าคงที่ของแรงเคลื่อนออกจากเอาต์พุตของมัน
2. ไม่ต้องสอบเทียบหรือปรับค่าใดๆจากภายนอก แต่ยังคงให้ค่าความไม่แน่นอนได้ ที่อุณหภูมิห้องและ ที่อุณหภูมิ -50 ถึง +300° F
3. อิมพีแดนซ์ทางด้านเอาต์พุตต่ำให้เอาต์พุตเป็นเชิงเส้น และให้ความเที่ยงตรงต่อการสอบเทียบทำให้สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อ่านค่าหรือต่อกับวงจรควบคุมได้ดี
4. สามารถใช้ได้กับแหล่งจ่ายแบบแหล่งจ่ายปลายเดี่ยว หรือกับแหล่งจ่ายกำลังที่มีขั้วบวกและลบได้อีกด้วย กินกระแสที่ประมาณ 70 mA จากแหล่งจ่าย ความร้อนที่เกิดจากตัวมันเองมีค่าต่ำประมาณ 0.2° F ในอากาศนิ่ง
5. มีย่านใช้งานในช่วง -50 ถึง +300 °F หากเป็นเบอร์ LM34C จะมีย่านใช้งานจาก -40 ถึง +230° F

LM34 บรรจุในตัวถังแบบ TO-46 แบบทรานซิสเตอร์ ส่วน LM34C บรรจุในตัวถังแบบ TO-92 ซึ่งเป็นแบบทรานซิสเตอร์พลาสติกวงจรใช้งานร่วมกับ LM34 เป็นดังรูปที่ 5.27 พบว่าเอาต์พุตจะเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วง 50 mV ถึง 3.00 V ไฟกรแสตรง หากใช้วัดอุณหภูมิจากช่วง +5 ถึง -300°F แต่หากต้องการวัดอุณหภูมิที่ต่ำกว่ำ 0°F ต้องจ่ายแหล่งจ่ายลบให้กับตัวไอซี ดังแสดงในรูปที่ 5.27(ข) วงจรดังกล่าวนี้ที่ 300°F จะมีแรงเคลื่อนเอาต์พุตออกมา +3.00 โวลต์ ส่วนที่ -50°F จะจ่ายแรงเคลื่อนออกมา -500 มิลลิโวลต์
บ่อยครั้งที่ต้องติดตั้งเซ็นเซอร์ไกลออกไปหลายเซนติเมตรจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่อร่วม จึงจำเป็นต้องพิจารณาดังต่อไปนี้
1. ต้องใช้สายตัวนำที่ต่อไปยังเซ็นเซอร์เพียงสองสายเท่านั้น (ไม่ใช่สามสาย)
2. ต้องให้สัญญาณที่ย้อนกลับมาจากเซนเซอร์เป็นกระแสไม่ใช่แรงเคลื่อน ที่เป็นเช่นนี้ก็เพื่อกำจัดผลของค่าความต้านทานที่อนุกรมอยู่ในสาย ซึ่งวงจรในรูปที่ 5.27 (ค) และ (ง) คือการต่อดังที่กล่าวไว้
3. ต้องรักษาให้สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของตัวต้านทาน 499 ต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่า IT ไม่เปลี่ยนแปลงเฉพาะกับแต่ VT เท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงไปกับตัวต้านทาน 499 ที่เกิดจากผลของอุณหภูมิอีกด้วย

ไอซีตระกูล 590/592
ถ้าหากต้องการส่งสัญญาณออกเป็นระยะทางไกลๆ และไม่ต้องการให้สัญญาณกระแสมีผลโดยตัวต้านทานที่อนุกรมในสาย ไอซีตระกูล 590 และ 592 ก็เป็นตัวเลือกที่ดีอีกตัวหนึ่ง ในตอนนี้จะยกตัวอย่างของบริษัท Analog Device ที่ให้เอาต์พุตออกมาเป็นแรงเคลื่อน และมีกระแสออกจาก AD590 และ AD592 ดังนี้

เมื่อ T อยู่ในหน่วย °K หรือ

เมื่อ T อยู่ในหน่วย °C AD590 ให้ความแน่นอนเท่ากับ +0.5°C เมื่ออุณหภูมิอยู่ในช่วง -55 ถึง +150°C หากเปรียบเทียบกันแล้ว AD592 จะมีราคาถูกกว่า AD590 ย่านการใช้งานของมันจะอยู่ในช่วง -25 ถึง +105°C แต่มีความแน่นอนเป็น 0.5°C ที่ 25°C ความเป็นเชิงเส้น 0.2°C ในช่วง 0 ถึง 70°C