市場には温度を読み取って監視するデバイスが数多くあります。単純な温度計から黒体放射光学測定まで、多くの賢い設計者が、単純で直感的なものから複雑でわかりにくいものまで、さまざまな技術を発明してきました。標準的な低コストのダイオードを使用して温度を測定する一般的なシンプルな手法について説明します。
想像どおり、 温度センサー または制限検出回路を実装するためのコストは、必要な精度に比例する可能性があります。たとえば、化学物質を混合する精密機械では、試薬を混合する前に溶液を正確かつ精密な点まで加熱する必要がある場合があります。医療機器も、血液サンプルを分析する前に温度を上昇させる必要がある場合があります。
半導体デバイスを用いた温度測定
しかし、すべての設計において厳密な温度測定を行うことが重要というわけではありません。多くの場合、単純な概算値を使用できます。たとえば、古いタイプのサーモスタットを考えてみましょう。手動および機械的な調整により、部屋が設定されている「おおよその」温度を示す針ゲージが提供されました。5桁の精度で校正および補正された温度検知システムを使用するのは、やりすぎでコストがかかりすぎます。
幸いなことに、標準的な低コストの ダイオード を使用した一般的でシンプルな手法を使用して、比較的正確な温度センサーを作成できます。これは、逆バイアス条件下での半導体接合の特性に左右されます。逆電流の流れはシリコンの温度に正比例します。その結果、適切なバイアスをかけると、どんな安価なダイオードでも温度に比例した逆電圧を生成できるようになります。
温度センサー回路の作り方
回路の正確な特性はダイオードの選択によって異なりますが、全体的には、−x uV/˚Cの関係は、逆バイアスされたシリコン接合の温度に対する典型的な応答です。
この情報をどのように使用するかは、ニーズによって異なります。たとえば、熱制限スイッチは、ダイオードと 抵抗 バイアス回路を使用してコンパレータに電力を供給できます (図1)。これにより、所定のしきい値で状態が変化し、たとえばヒーター制御によって温度範囲を維持できるようになります (トリップ ポイント付近でのチャタリング振動を防ぐために、ここではヒステリシスが適用されます)。
図1: 逆バイアスのダイオード接合は、電流が温度と電圧に比例する電流源 (I) として機能します。結果として生じる電流は、この単純な制限またはしきい値スイッチを作成するために使用できるセンス抵抗器の両端に電圧を生成します。
より高度な オペアンプ 回路は、可変抵抗器または デジタルトリマー と組み合わせることで、下限レベルと上限レベルのキャリブレーションポイントを提供できます (図2)。逆電流応答はある程度線形ですが、変動があるため、組み込みマイクロコントローラを使用していて、正確なしきい値を見つける必要がある場合は、ルックアップ テーブルを参照できます。
図2: アナログ トリム ポットまたはデジタル トリマーを使用して、測定の下限と上限を設定する基本的なキャリブレーション回路を作成できます。
統合半導体ソリューションと評価キットも存在し、設計者は遠隔地用のダイオードを選択できます。多くの金属ダイオード パッケージは、監視が必要な金属機械に熱的にマウントできるため、これは便利です。
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Texas Instruments のサンプルキットは、 LM95235EVAL評価および開発システムで、ダイオードまたはトランジスタを温度センサーとして使用できます。トランジスタは、コレクタエミッタ接合ダイオードを感知素子として使用できます（図3）。また、多くのトランジスタでは、テスト対象ユニットへの熱マウントとしても優れた小型の金属缶パッケージを使用しています。
図3: ダイオードとトランジスタの熱特性に基づき、Texas InstrumentsのLM95235などのICは、P-N接合の逆バイアス動作を利用して、リモート温度測定に11ビットの精度を提供します。(出典: Texas Instruments)
統合された較正済みおよび補正済みのモノリシック ソリューションほど堅牢で正確ではありませんが、TI開発キットでは、ダイオードとトランジスタを温度センサーとして使用して11ビットの精度を実現する方法を示しています。これにより、コストを低く抑えながら必要な精度を実現できます。