[ガイド]温度感知製品を選ぶのは簡単なことのように思えるかもしれませんが、さまざまな製品があるため、この作業は困難になる場合があります。 このブログ投稿では、著者は XNUMX 種類の温度センサー (測温抵抗体 (RTD)、熱電対、 サーミスタ、デジタルおよびアナログ インターフェイスを備えた集積回路 (IC) センサー) について説明し、このセンサーのそれぞれの長所と短所について説明します。
システムレベルの観点から、温度センサーがアプリケーションに適しているかどうかは、必要な温度範囲、精度、直線性、ソリューションのコスト、機能、消費電力、ソリューションのサイズ、設置方法 (表面実装方法とスルーホール挿入) によって決まります。回路設計のしやすさにも対応する必要があります。
RTD
温度を変化させながら RTD の抵抗を測定すると、応答はほぼ線形になり、抵抗器のように動作します。 図 1 に示すように、RTD の抵抗曲線は完全な直線ではなく、数度の偏差があります (基準として使用される直線が示されています)。ただし、予測可能性と再現性が高くなります。 このわずかな非直線性を補償するために、ほとんどの設計者は測定された抵抗値をデジタル化し、マイクロコントローラーのルックアップ テーブルを使用して補正係数を適用します。 この広い温度範囲 (約 -250 °C ～ +750 °C) の再現性と安定性により、RTD はパイプや大型容器内の液体または気体の温度測定などの高精度アプリケーションで非常に役立ちます。
図1：RTD抵抗と温度
RTDアナログ信号の処理に使用される回路の複雑さは、基本的にアプリケーションによって異なります。 アンプやアナログ-デジタルコンバータ（ADC）など、独自のエラーを発生させるコンポーネントは不可欠です。 センサーに電力を供給するために測定が必要な場合にのみ、この方法を使用して低電力動作を実現することもできますが、これにより回路がはるかに複雑になります。 さらに、センサーに電力を供給するために必要な電力は、センサーの内部温度を上昇させ、それによって測定の精度に影響を与えます。 わずか数ミリアンペアの電流で、この自己発熱効果により温度エラーが発生します（これらのエラーは修正可能ですが、さらに検討する必要があります）。 また、注意してください。特にICセンサーのコストと比較した場合、巻線プラチナRTDまたは薄膜RTDのコストは非常に高くなる可能性があります。
サーミスタ
サーミスタは別のタイプの抵抗センサーです。 高品質で安価な製品から高精度の製品まで、さまざまなサーミスタが利用可能です。 低コスト、低精度のサーミスタは、簡単な測定またはしきい値検出機能を実行できます。これらの抵抗には複数のコンポーネント（コンパレータ、リファレンス、ディスクリート抵抗など）が必要ですが、非常に安価で、非線形特性を備えています。 線形抵抗-温度特性を図2に示します。広範囲の温度を測定する必要がある場合は、多くの線形化作業を実行する必要があります。 いくつかの温度ポイントを校正する必要があるかもしれません。 より高い精度を達成するために、より高価でより厳しい公差のサーミスタアレイを使用してこの非線形問題を解決することができますが、そのようなアレイは通常、単一のサーミスタよりも感度が低くなります。
図2：サーミスタの抵抗と温度
マルチトリップポイントシステムは複雑さとコストを増大させるため、低コストのサーミスタは通常、トースター、コーヒーメーカー、冷蔵庫、ヘアドライヤーなど、機能要件が最小限のアプリケーションでのみ使用されます。 さらに、サーミスタには自己発熱の問題があります (通常、抵抗が低い場合、温度が高くなります)。 RTDの場合と同様に、サーミスタが低電源電圧下で使用できない根本的な理由はまだ解明されていませんが、フルスケール出力が低いほど、システムはサーミスタの特性に基づいてシステムに直接変換されることを覚えておいてください。アナログデジタルコンバータ (ADC) の感度が低くなります。 低電力アプリケーションでは、ノイズによるエラーに非常に敏感になるために、回路の複雑さを増す必要もあります。 サーミスタは -100°C ～ +500°C の温度範囲で動作できますが、ほとんどのサーミスタの最大動作温度範囲は +100°C ～ +150°C です。
熱電対
熱電対は、異なる材料で作られた3本のワイヤーの接合部で構成されています。 たとえば、Jタイプの熱電対は鉄とコンスタンタンでできています。 図1に示すように、接点2は測定対象の温度に配置され、接点3と接点35はLMXNUMXアナログ温度センサーによって測定された異なる温度に配置されます。 出力電圧は、これらXNUMXつの温度値の差にほぼ比例します。
図3：熱電対の冷接点補償にLM35を使用
熱電対の感度は非常に低いため (摂氏 2300 度あたり数十マイクロボルト程度)、使用可能な出力電圧を生成するには低オフセットのアンプが必要になります。 熱電対の動作範囲内では、温度から電圧への伝達関数の非線形性により、RTD や熱電対と同様に、補償回路またはルックアップ テーブルが必要になることがよくあります。 しかし、これらの欠点にもかかわらず、熱電対は依然として非常に人気があり、特にオーブン、給湯器、窯、試験装置、その他の工業プロセスに適しています。熱電対の熱質量が非常に小さく、動作温度範囲が広いためです（動作温度を拡張できる）。 〜XNUMX℃以上）の範囲は非常に広いです。
ICセンサー
ICセンサーは-55°Cから+ 150°Cの温度範囲で動作できます-選択されたいくつかのICセンサーは+ 200°Cまでの温度で動作できます。 統合型ICセンサーにはさまざまな種類がありますが、最も一般的な2つの統合型ICセンサーは、間違いなくアナログ出力デバイス、デジタルインターフェースデバイス、リモート温度センサー、およびサーモスタット機能を備えた統合型ICセンサー（温度スイッチ）です。 アナログ出力デバイス（通常は電圧出力ですが、電流出力を備えているものもあります）は、出力信号をデジタル化するためにADCが必要な場合のパッシブソリューションに最もよく似ています。 デジタルインターフェースデバイスは、ほとんどの場合、XNUMX線式インターフェース（IXNUMXCまたはPMBus）を使用し、ADCを内蔵しています。
ローカル温度センサーを含むことに加えて、リモート温度センサーには、リモートダイオード温度を監視するためのXNUMXつ以上の入力もあります。これらは、ほとんどの場合、高度に統合されたデジタルIC（たとえば、プロセッサまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ[FPGA]）の中央に配置されます。
ICセンサーを使用することには、次のような多くの利点があります。低消費電力。 小さなパッケージ製品（0.8mm×0.8mmの小さなサイズもあります）を提供できます。 また、一部のアプリケーションでは、デバイスのコストを低く抑えることもできます。 さらに、ICセンサーは製造テスト中に校正されるため、さらに校正する必要はありません。 これらは、フィットネストラッキングアプリケーション、ウェアラブル製品、コンピューティングシステム、データロガー、および自動車アプリケーションで一般的に使用されています。
経験豊富な回路基板設計者は、最終製品の要件に応じて最適なソリューションを使用します。 表1に、各温度センサーの相対的な長所と短所を示します。
リンク: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120